В.К. Петросян (Вадимир). Мировая пикоэлектроника. Прошлое, настоящее, будущее. Проектирование Метаразвития. Тома 1-6
Пикоэлектроника: определение, физическая основа и перспективные направления
1. Нанометр, пикометр и характерные размеры атомов
2. Атомарно-точное производство
3. Молекулярные и одноэлектронные устройства
4. Квантовые и альтернативные электронные архитектуры
5. Системы управления электронными состояниями
6. Критерии перехода к пикоэлектронному уровню
*********
© В.К.
Петросян (Вадимир) © Lag.ru [Large Apeironic Gateway, Большой Апейронический
Портал (Шлюз), Суперпортал в Бесконечность].
При копировании данного материала и размещении его на другом сайте, ссылки
на соответствующие локации порталов Lag.ru и Proza.ru обязательны
Работа написана на основе концепции и разработок В.К. Петросяна при полноценном соавторстве (активном творческом и техническом участии) ChatGPT (OpenAI), GPT-5.6 Sol
******
Пикоэлектроника: определение, физическая основа и перспективные направления
От атомарной инженерии и одноэлектронных приборов — к научному проектированию новой физической элементной базы Метаразвития.
Введение. Пикоэлектроника как новая постановка научно-технологической задачи
На протяжении почти восьмидесяти лет развитие электронной вычислительной техники сопровождалось непрерывным усложнением интегральных схем и уменьшением характерных размеров их элементов.
От первых транзисторов человечество перешло к микрометровой, затем нанометровой организации электронных структур. Возникли промышленные технологии, позволяющие размещать миллиарды электронных приборов на одном полупроводниковом кристалле.
Однако физическое содержание современной микроэлектроники значительно сложнее простой последовательности уменьшения геометрических размеров.
Уже в современных нанометровых приборах необходимо учитывать квантовое туннелирование, дискретность электрического заряда, атомарную структуру материалов и особенности взаимодействия электронов с окружающей средой.
Всё большее значение приобретают контакты, диэлектрики, атомарные дефекты и электронные состояния отдельных структурных элементов.
Следовательно, дальнейшее развитие электронной элементной базы требует не только совершенствования производства, но и исследования новых физических принципов.
Именно в этом контексте возникает задача проектирования пикоэлектроники.
В научной литературе уже существуют исследования атомарно-точной электроники, молекулярных электронных устройств, одноэлектронных транзисторов, квантовых точек, спиновых состояний и управляемых атомарных дефектов.
Эти направления имеют значительную экспериментальную историю.
Однако они ещё не образуют единой промышленно признанной технологической платформы, которую можно было бы однозначно назвать пикоэлектроникой.
Поэтому в настоящей книге предлагается использовать понятие PICO как наименование перспективной исследовательской субтехнологии Метаразвития.
Её задача заключается не в механическом уменьшении традиционного транзистора до одного пикометра, а в поиске новых способов создания и управления электронными функциями, существенным физическим основанием которых становится контролируемая организация вещества и электронных состояний на атомарном и пикометровом уровне.
Однако подобная формулировка требует уточнения.
Не всякий атомарно-малый объект является электронным устройством.
Не всякая система с квантовыми свойствами относится к пикоэлектронике.
И не всякое измерение с пикометровой точностью означает создание новой электронной технологии.
Поэтому необходимо разграничить четыре категории.
Первая — физический масштаб. Он характеризует размеры атомов, электронных орбиталей, межатомные расстояния и амплитуды структурных изменений.
Вторая — инженерная управляемость. Она отражает возможность воспроизводимо создавать и изменять соответствующие структуры.
Третья — электронная функциональность. Она характеризует способность структуры выполнять определённую полезную электронную операцию.
Четвёртая — технологическая воспроизводимость. Она определяет возможность многократно получать соответствующий результат при установленных затратах и допустимой вероятности отказов.
Только их согласованное исследование способно создать научные основания новой технологической платформы.
При этом в настоящей книге предлагается строго различать три уровня результата.
Первый — пикометровые физические эффекты, измеряемые в лаборатории.
Второй — экспериментальные пикоэлектронные устройства, использующие соответствующие эффекты для определённой функции.
Третий — воспроизводимая пикоэлектронная технология, пригодная для создания более сложных систем.
Переход между этими уровнями не является автоматическим.
Он должен подтверждаться соответствующими экспериментальными исследованиями.
Главный вопрос настоящей главы можно сформулировать следующим образом:
Какие физические принципы могут стать основой электронной элементной базы, функциональные возможности которой определяются управляемыми атомарными структурами и пикометровыми параметрами, а не только традиционным масштабированием CMOS?
Для ответа необходимо исследовать реальные пространственные масштабы, технологии атомарно-точного производства, молекулярные и одноэлектронные устройства, квантовые архитектуры и способы управления электронными состояниями.
Особое значение имеет разработка критериев, позволяющих установить момент перехода от существующей наноэлектроники к научно обоснованной пикоэлектронике.
3.1. Нанометр, пикометр и характерные размеры атомов
3.1.1. Пространственные масштабы электронной техники
Для строгого физического определения PICO необходимо прежде всего установить соотношение основных единиц длины.
Международная система единиц использует десятичные приставки.
Один нанометр соответствует одной миллиардной части метра.
Один пикометр — одной триллионной части метра.
Один фемтометр — одной квадриллионной части метра.
Таким образом:
1 нм = 1000 пм.
1 пм = 1000 фм.
Следовательно, переход от нанометрового диапазона к пикометровому представляет собой изменение характерного масштаба на три десятичных порядка.
Однако численное соотношение единиц измерения само по себе не означает существования непрерывной физической возможности уменьшать электронные устройства.
Для этого необходимо учитывать размеры атомов и фундаментальные свойства вещества.
3.1.2. Физическая шкала характерных размеров
Для первоначальной ориентации представим несколько важных пространственных характеристик.
Физическая величина Характерный масштаб Физический смысл
Один нанометр 1000 пм Единица длины
Параметр решётки кристаллического кремния ; 543 пм Размер элементарной кубической ячейки
Расстояние между ближайшими атомами кремния ; 235 пм Межатомное расстояние в идеальной алмазоподобной решётке
Ковалентный радиус атома кремния ; 111 пм Условная характеристика размера атома в химической связи
Боровский радиус ; 52,9 пм Характерная атомная единица длины
Один пикометр 1 пм Единица длины, значительно меньшая атомного размера
Один фемтометр 0,001 пм Масштаб, характерный для ядерной физики
Значения основаны на данных NIST, CODATA и справочных атомных радиусах. Атомные размеры зависят от физического определения и химического окружения.
Эта шкала показывает принципиальное обстоятельство.
Характерные размеры атомов и межатомные расстояния выражаются десятками и сотнями пикометров.
Следовательно, пикометровый диапазон уже соответствует фундаментальной структуре обычного вещества.
Однако один пикометр значительно меньше характерного диаметра атома.
3.1.3. Почему атом не имеет абсолютно определённой поверхности
В классическом представлении атом нередко изображают как маленький шар.
Однако такое изображение является упрощением.
Электронная структура атома описывается квантовой механикой.
Положение электрона характеризуется распределением вероятности.
Поэтому нельзя определить универсальную жёсткую поверхность атома, аналогичную поверхности макроскопического твёрдого тела.
В химии используются разные определения атомного радиуса.
Например, существуют ковалентный, металлический и ван-дер-ваальсов радиусы.
Их значения для одного элемента могут различаться.
Следовательно, при исследовании пикоэлектроники необходимо точно указывать, какая физическая величина используется.
Особенно важно не путать радиус отдельного атома с расстоянием между атомами в кристалле.
3.1.4. Боровский радиус и электронные состояния
Боровский радиус представляет фундаментальную атомную единицу длины.
Его значение составляет приблизительно 52,9 пм.
В модели атома водорода он характеризует естественный пространственный масштаб электронного состояния.
Однако боровский радиус не означает, что все электронные орбитали имеют одинаковый размер.
Реальные электронные состояния зависят от атомного номера, химических связей, окружающих материалов и внешних полей.
В полупроводниках электронные состояния могут распространяться на расстояния, значительно превышающие размеры отдельного атома.
Особенно важны эффективная масса носителей и диэлектрические свойства среды.
Поэтому атомарный пространственный масштаб и размер квантового электронного состояния нельзя считать тождественными.
3.1.5. Межатомные расстояния как технологический параметр
В кристаллическом кремнии атомы занимают определённые положения в периодической решётке.
По данным NIST, параметр его кубической ячейки составляет около 0,5431 нм.
В идеальной алмазоподобной структуре расстояние между ближайшими соседними атомами — около 0,235 нм.
Следовательно, изменение положения атома на одну позицию решётки обычно представляет структурное изменение порядка сотен пикометров.
Но точное измерение смещения атома может осуществляться с существенно меньшей неопределённостью.
Таким образом, необходимо различать шаг доступной атомной конфигурации и точность определения координат.
Например, атом может занимать один из дискретных узлов кристалла.
В таком случае позиционирование с точностью до узла решётки не означает возможность непрерывного перемещения атома с произвольно выбираемым шагом в один пикометр.
Это принципиальное ограничение необходимо учитывать при проектировании PICO.
3.1.6. Пикометровое смещение и электронная функция
Особый научный интерес представляет ситуация, когда чрезвычайно малое изменение геометрии вызывает измеримое изменение электронных характеристик.
Например, сдвиг отдельных атомов способен изменить длину химической связи.
Это может повлиять на перекрытие электронных орбиталей.
В результате изменяются энергетические уровни и вероятность переноса заряда.
Аналогично локальная деформация кристаллической решётки может влиять на зонную структуру материала.
Следовательно, пикометровое изменение положения атомов способно обладать функциональным электронным значением.
Однако необходимо отличать чувствительность системы к малому смещению от способности управлять этим смещением.
Физический эффект может наблюдаться в измерении, но быть слишком нестабильным для использования в электронном устройстве.
Следовательно, пикоэлектронная технология должна предусматривать воспроизводимый контроль соответствующего параметра.
3.1.7. Почему пикометровый масштаб не означает возможность бесконечной миниатюризации
Уменьшение размеров обычного кремниевого транзистора невозможно продолжать независимо от структуры вещества.
При достижении атомарного масштаба возникают ограничения, связанные с дискретностью атомов, туннелированием, химическими связями и квантовыми состояниями.
Следовательно, переход от наноэлектроники к пикоэлектронике не должен пониматься как очередное уменьшение традиционного транзистора в тысячу раз.
Подобное представление не имеет необходимого физического обоснования.
Вместо этого необходимо исследовать альтернативные способы создания электронной функции.
Например, информационное состояние может определяться зарядом отдельной молекулы.
Другой вариант — спином электронного состояния отдельного атома.
Третий — состоянием квантовой точки.
Четвёртый — изменением электронного переноса через атомарно организованный интерфейс.
Однако каждый такой вариант требует самостоятельных критериев полезности.
3.1.8. Где заканчивается нанометровый подход
Нанотехнологии охватывают чрезвычайно широкий спектр физических и инженерных методов.
В их состав уже входят атомарные структуры, молекулярные устройства и квантовые системы.
Поэтому нельзя утверждать, что атомарная электроника возникает исключительно после завершения наноэлектроники.
Многие предполагаемые основы PICO исторически сформировались именно в исследованиях нанотехнологий.
Следовательно, граница между NANO и PICO не является уже установленным универсальным промышленным стандартом.
В настоящей книге предлагается сформулировать её как исследовательскую границу изменения способа создания электронной функции.
Если основное развитие обеспечивается уменьшением традиционных функциональных элементов, речь идёт о продолжении наноэлектронного масштабирования.
Если же функция определяется специально созданным и воспроизводимо управляемым атомарным состоянием или пикометрово чувствительным структурным параметром, появляется основание для выделения нового исследовательского направления.
Однако такое выделение должно подтверждаться экспериментально и не должно подменять существующие общепринятые научные классификации.
3.1.9. Почему PICO и FEMTO нельзя считать последовательными поколениями транзисторов
Следующей после пикометровой приставкой в системе единиц является фемто.
Один фемтометр соответствует 10;;; метра.
Этот пространственный масштаб характерен для ядерной физики.
Однако сам факт наличия фемтометровой единицы не означает возможности создания электронных устройств соответствующего размера посредством дальнейшей миниатюризации.
Протоны и нейтроны обладают размерами порядка фемтометра.
Но электронные состояния обычных атомов определяются физикой значительно больших пространственных масштабов.
Следовательно, переход к FEMTO, если такая долгосрочная исследовательская программа будет рассматриваться, потребует самостоятельной постановки задач фундаментальной физики.
Он не является гарантированным следующим промышленным этапом после PICO.
Особенно важно, что использование ядерного спина как носителя информации не превращает всю вычислительную систему в устройство фемтометрового размера.
3.1.10. Предварительный физический смысл PICO
На основании рассмотренных положений можно сформулировать исходное определение.
Пикоэлектроника — предлагаемое научно-технологическое направление разработки электронных устройств и систем, функциональные свойства которых определяются специально созданными и воспроизводимо управляемыми атомарными структурами, электронными состояниями либо структурными параметрами пикометрового масштаба, обеспечивающими проверяемую электронную функцию.
Однако это определение является предварительным.
Для его превращения в строгий научный критерий необходимо установить, какие именно экспериментальные результаты позволяют отнести устройство к PICO.
Эта задача будет решаться в заключительном разделе главы.
3.2. Атомарно-точное производство
3.2.1. От массовой литографии к управлению отдельными атомами
Современная полупроводниковая промышленность использует литографические методы формирования огромного количества электронных структур.
Однако традиционная литография преимущественно управляет геометрией функциональных областей, содержащих большое число атомов.
Атомарно-точное производство ставит более глубокую задачу.
Необходимо управлять расположением, типом и числом отдельных атомов, определяющих свойства прибора.
Подобный подход получил название Atomically Precise Manufacturing — APM.
Он рассматривается как перспективная технология создания электронных структур, недоступных обычным методам статистического формирования материалов.
Однако атомарная точность не означает автоматического промышленного преимущества.
Особенно сложной является задача перехода от единичных атомарных операций к массовому воспроизводимому изготовлению.
3.2.2. Историческая демонстрация IBM
Одним из наиболее известных событий стала работа Дональда Эйглера и Эрхарда Швейцера в IBM.
В 1990 году в журнале Nature была опубликована демонстрация управляемого размещения отдельных атомов ксенона на поверхности никеля.
Исследователи использовали сканирующий туннельный микроскоп.
Эксперимент проводился при температуре около 4 К.
Особенно известной стала структура из 35 атомов ксенона, образующих надпись IBM.
Научное значение эксперимента заключалось не в изображении логотипа.
Главным достижением стала демонстрация возможности управляемого расположения отдельных атомов.
Таким образом, была экспериментально подтверждена осуществимость одного из основных физических принципов атомарно-точной инженерии.
Однако необходимо подчеркнуть, что соответствующая демонстрация не означала создания промышленной технологии изготовления электронных вычислительных систем.
3.2.3. Сканирующая туннельная микроскопия как производственный инструмент
Сканирующий туннельный микроскоп первоначально создавался как прибор исследования поверхности.
Однако его физический принцип позволяет не только измерять, но и изменять состояние отдельных атомов.
При определённых условиях туннельный зонд способен воздействовать на адсорбированные атомы или молекулы.
Возникает возможность перемещать их, изменять химические связи и формировать локальные структуры.
Однако соответствующие операции требуют чрезвычайно точного контроля.
Необходимо учитывать состояние зонда, свойства поверхности, температуру и электрические параметры.
Следовательно, STM-производство представляет не просто уменьшенную версию обычной литографии.
Это технология непосредственного взаимодействия с атомарной структурой вещества.
3.2.4. Водородная депассивационная литография
Одним из наиболее развитых направлений атомарно-точного производства является Hydrogen Depassivation Lithography.
В этой технологии кремниевая поверхность покрывается слоем водорода.
Водород пассивирует определённые химически активные связи поверхности.
Затем зонд сканирующего туннельного микроскопа локально удаляет отдельные атомы водорода.
В результате создаются участки с ненасыщенными связями кремния.
Они могут использоваться как функциональные атомарные элементы или как места последующего химического взаимодействия.
Особенно значительным является возможность формирования рисунка с точностью до отдельных атомных позиций.
Однако промышленная реализация требует чрезвычайно высокой однородности исходной поверхности и контроля всех последующих операций.
3.2.5. Размещение донорных атомов фосфора
Один из наиболее известных способов создания атомарных электронных устройств использует фосфор в кремнии.
После формирования депассивированных участков поверхность может подвергаться воздействию фосфина PH;.
Молекулы взаимодействуют с открытыми участками кремния.
Затем используются технологические операции, позволяющие включать атомы фосфора в полупроводниковую структуру.
После этого функциональная область может быть закрыта дополнительным эпитаксиальным слоем кремния.
В результате возникает возможность создавать электронные приборы, характеристики которых зависят от расположения отдельных донорных атомов.
Однако необходимо учитывать, что экспериментальная точность размещения и фактическое положение атома после всех операций могут различаться.
Следовательно, требуется независимая метрологическая проверка.
3.2.6. Одноатомный транзистор 2012 года
19 февраля 2012 года в Nature Nanotechnology была опубликована работа Мартина Фюкслe и соавторов A Single-Atom Transistor.
Исследователи продемонстрировали транзистор, активным элементом которого являлся единственный донорный атом фосфора в кремнии.
Атом был размещён с точностью до определённой позиции кристаллической решётки.
При низкой температуре удалось исследовать электронный перенос через соответствующее состояние.
Были получены признаки дискретных квантовых энергетических уровней.
Это стало фундаментальным экспериментальным подтверждением возможности создания электронного прибора с активным элементом из одного атома.
Однако важно правильно оценивать его технологический статус.
Устройство работало при криогенных температурах.
Оно не являлось серийным процессором или массовой заменой CMOS.
Тем не менее эксперимент доказал физическую возможность принципиально нового класса атомарно определённых электронных устройств.
3.2.7. Атомарные незавершённые связи как электронные элементы
Другим направлением является использование так называемых dangling bonds — ненасыщенных связей поверхности.
Подобные центры могут обладать различными зарядовыми состояниями.
При их взаимном расположении возникают электронные взаимодействия.
Это позволяет формировать атомарные квантовые точки и экспериментальные логические структуры.
В обзоре Atomically Precise Manufacturing of Silicon Electronics, опубликованном в 2024 году в ACS Nano, подробно рассматриваются соответствующие технологии.
Особое внимание уделяется атомарным логическим устройствам на кремниевых поверхностях.
Однако необходимо учитывать сложность практического применения.
Устройства могут требовать специальных условий поверхности, защиты от загрязнений и сложной системы электрических контактов.
Следовательно, атомарная логическая функция и массовая технологическая платформа являются различными стадиями развития.
3.2.8. Верхнеуровневое и нижнеуровневое производство
Для будущей PICO важно различать два принципиальных подхода.
Первый — top-down.
Он предполагает создание структур посредством обработки исходного материала, например литографии и травления.
Второй — bottom-up.
Он основан на формировании структуры из отдельных атомов, молекул и химических компонентов.
Однако реальное атомарно-точное производство часто объединяет оба подхода.
Например, атомарный функциональный элемент создаётся посредством STM, а более крупные контакты изготавливаются обычной микроэлектронной технологией.
Следовательно, противопоставление top-down и bottom-up не должно превращаться в искусственное ограничение.
Перспективная пикоэлектроника может требовать гибридного производственного маршрута.
3.2.9. Машинное управление атомарным производством
Особенно значительным направлением является автоматизация работы сканирующих зондов.
Управление отдельными атомарными операциями требует обработки измерительных данных и коррекции положения инструмента.
При этом возможны изменения формы зонда.
Возникает необходимость распознавать состояние поверхности и обнаруживать дефекты.
В 2024 году были опубликованы исследования использования машинного обучения для повышения эффективности атомарно-точного изготовления кремниевых квантовых структур.
В 2025 году появились дополнительные работы по совершенствованию режимов STM-управления.
Это показывает возможность объединения атомарной инженерии и интеллектуальных алгоритмов.
Однако автоматизация управления зондом ещё не является самостоятельной доказанной технологией Метаразвития.
Её эффективность должна измеряться по качеству, скорости и стоимости воспроизводимого изготовления.
3.2.10. Производительность как главное ограничение
Одной из наиболее серьёзных проблем атомарно-точного производства является низкая производительность последовательных операций.
Современная полупроводниковая фабрика обрабатывает огромное количество электронных элементов параллельно.
При этом STM-методы часто предполагают локальную последовательную обработку отдельных участков.
Следовательно, прямой перенос лабораторного атомарного производства на массовую фабрику сталкивается с фундаментальной организационно-технологической проблемой.
Для повышения производительности могут исследоваться параллельные зондовые системы, химическое самоформирование и сочетание атомарно-точных операций с литографией.
Однако их промышленная эффективность ещё должна быть доказана.
Особенно важно не предполагать, что способность создать один атомарный транзистор автоматически обеспечивает возможность изготовить миллиарды таких устройств по экономически приемлемой цене.
3.2.11. Атомарная точность и производственный выход
Для дальнейшего развития необходимо учитывать не только точность позиционирования.
Важен выход годных функциональных структур.
Например, отдельная ошибка размещения атома может изменять свойства квантового устройства.
Другой дефект может полностью нарушать его работу.
Следовательно, требуется статистика успешных атомарных операций.
Необходимо учитывать вероятность ошибки при создании каждого элемента.
Особенно важно исследовать накопление ошибок при увеличении числа элементов.
Поэтому успешное изготовление единичного сложного атомарного устройства не является доказательством возможности массовой промышленной интеграции.
3.2.12. Новая задача: проектировать не только атомы, но и технологический процесс
Главный стратегический вывод заключается в том, что атомарно-точное производство должно развиваться как комплексная технологическая система.
Необходимо управлять подготовкой поверхности, химическими реакциями, атомарным рисунком, защитными слоями, контактами и измерениями.
Особенно важно контролировать физические изменения после каждой операции.
Таким образом, атомарная инженерия требует тесного взаимодействия физики, химии, метрологии и интеллектуального технологического управления.
Для PICO это одна из наиболее значимых исходных платформ.
Однако она ещё не гарантирует появления новой массовой электронной промышленности.
3.3. Молекулярные и одноэлектронные устройства
3.3.1. Молекула как возможный функциональный элемент
Одним из наиболее радикальных направлений электронной миниатюризации является молекулярная электроника.
Её центральная идея заключается в использовании отдельных молекул в качестве функциональных элементов электронного устройства.
Например, молекула может выполнять функцию выпрямления тока.
В других случаях возможно управление проводимостью, зарядовым состоянием или определёнными электронными переходами.
Однако молекулярное устройство нельзя рассматривать как просто уменьшенный обычный транзистор.
Его физические свойства определяются электронными орбиталями, химическими связями и взаимодействием с контактами.
Следовательно, необходимо применять методы квантовой химии и физики электронного переноса.
3.3.2. Историческое начало молекулярной электроники
Одной из основополагающих работ стала статья Ариэ Авирамa и Марка Ратнера Molecular Rectifiers, опубликованная в 1974 году.
Авторы предложили концепцию молекулярного выпрямителя.
Она основывалась на сочетании донорных и акцепторных электронных областей внутри молекулярной структуры.
Между ними предполагалось наличие туннельного соединения.
Таким образом, возникла возможность рассматривать молекулу как основу электронной функции.
Однако первоначальная работа была теоретической.
Она не означала создания промышленного молекулярного выпрямителя.
Тем не менее соответствующая концепция сыграла фундаментальную роль в формировании нового исследовательского направления.
3.3.3. Физика молекулярного электронного перехода
Когда молекула соединена с двумя электродами, перенос заряда определяется не только её химическим составом.
Большое значение имеют энергетические уровни молекулярных орбиталей.
Необходимо учитывать электронное взаимодействие с контактами.
Возможны туннелирование, резонансный перенос и неупругие процессы.
На транспорт также влияют колебания молекулы.
Следовательно, проводимость молекулярного соединения представляет результат взаимодействия нескольких квантовых механизмов.
Это делает молекулярную электронику чрезвычайно интересной научно.
Но одновременно осложняет технологическое управление.
3.3.4. Контактная геометрия как источник вариабельности
Одной из наиболее серьёзных проблем является чувствительность электрических характеристик к геометрии контакта.
Например, изменение положения молекулы относительно металлического электрода может влиять на перекрытие электронных состояний.
Изменяется вероятность передачи заряда.
Даже небольшое изменение длины связи или ориентации молекулы способно существенно повлиять на измеряемую проводимость.
Следовательно, атомарная геометрия контакта становится функциональным параметром.
Именно здесь возникает одна из наиболее ясных предпосылок PICO.
Однако высокая чувствительность не означает возможность воспроизводимого управления.
Необходимо обеспечить стабильную ориентацию молекулы и контролируемое состояние её взаимодействия с электродами.
3.3.5. Одномолекулярные переключатели
В исследованиях молекулярной электроники созданы различные переключаемые структуры.
Их электрические состояния могут изменяться под действием напряжения, света, химической реакции или механического воздействия.
В некоторых случаях переключение связано с изменением конфигурации молекулы.
В других — с изменением её зарядового состояния.
Однако необходимо различать обратимость и долговременную надёжность.
Молекула может переключаться между двумя состояниями в эксперименте, но постепенно деградировать при многократной работе.
Другой прибор может обладать хорошим отношением токов, но требовать чрезвычайно сложных лабораторных условий.
Следовательно, практическая пригодность должна определяться не отдельным рекордным параметром, а совокупностью характеристик.
3.3.6. Молекулярная электроника и предел миниатюризации
Молекула может представлять чрезвычайно малый функциональный элемент.
Однако законченная электронная система требует контактов, управляющих электродов, изоляции и средств считывания.
Следовательно, наличие молекулярного активного элемента не означает, что всё устройство имеет размер одной молекулы.
Это принципиально важно для оценки плотности интеграции.
Например, отдельная молекула может обладать полезным электронным свойством.
Но если для её индивидуального управления требуется сложная система электродов, экономическое преимущество может оказаться ограниченным.
Поэтому необходимо оценивать размеры и стоимость всей функциональной ячейки.
3.3.7. Одноэлектронная электроника
Другим принципиально важным направлением является управление переносом отдельных электронов.
В обычной цифровой логике электрические сигналы связаны с перемещением большого количества носителей заряда.
Однако существуют устройства, в которых отдельный электрон становится непосредственно различимым функциональным событием.
Особое значение имеют одноэлектронные транзисторы — Single-Electron Transistors, SET.
Их работа основывается на дискретности электрического заряда и кулоновском взаимодействии.
3.3.8. Физика кулоновской блокады
Типичный одноэлектронный транзистор содержит небольшой проводящий островок.
Он связан с электродами посредством туннельных барьеров.
Дополнительный электрод позволяет изменять электрический потенциал островка.
При попадании нового электрона на островок увеличивается его электростатическая энергия.
Для простой модели характерная энергия зарядки определяется выражением:
E;C; = e;/(2C;),
где e — элементарный электрический заряд, C; — полная электрическая ёмкость островка.
Если эта энергия достаточно велика относительно тепловых флуктуаций, последовательное добавление электронов становится энергетически различимым.
Возникает кулоновская блокада.
В результате электрическая проводимость изменяется в зависимости от числа электронов и напряжения на затворе.
Однако необходимо учитывать и другие условия.
Особенно важны сопротивления туннельных переходов, температурный режим и квантовые энергетические уровни островка.
Следовательно, кулоновская блокада является необходимым физическим механизмом многих SET-устройств, но её практическая реализация зависит от всей структуры прибора.
3.3.9. Почему температура имеет принципиальное значение
Тепловая энергия увеличивается с температурой.
Для оценки её характерного масштаба используется величина kBT.
При комнатной температуре около 300 К она составляет приблизительно 26 мэВ.
Следовательно, для устойчивого проявления кулоновской блокады необходимо, чтобы соответствующая энергия зарядки была достаточно велика по сравнению с тепловыми флуктуациями.
Для иллюстрации рассмотрим островок с полной ёмкостью 1 аттофарад.
В идеализированной модели энергия зарядки составляет приблизительно 80 мэВ.
Это больше kBT при комнатной температуре.
Однако такого простого сравнения недостаточно для утверждения о высококачественном комнатно-температурном одноэлектронном транзисторе.
Необходимо также учитывать туннельные сопротивления, уширение энергетических уровней, помехи, контакты и требования к надёжности.
Следовательно, повышение температуры работы остаётся одной из важных инженерных задач.
3.3.10. Одноэлектронный прибор и квантовый компьютер — разные вещи
Особенно важно избежать терминологического смешения.
Одноэлектронный транзистор способен использовать дискретные зарядовые состояния.
Однако это не означает, что он автоматически представляет собой полноценный квантовый бит.
Для квантового вычисления необходимы управляемые квантовые состояния, когерентные операции и соответствующие методы считывания.
SET может использоваться в качестве чрезвычайно чувствительного электрического измерительного прибора.
Например, он способен помогать определять зарядовое состояние соседней квантовой точки.
Но роль датчика и роль квантового вычислительного элемента должны различаться.
3.3.11. Одноэлектронная чувствительность и энергетическая эффективность
Одним из потенциальных преимуществ одноэлектронной электроники является возможность управления чрезвычайно малыми количествами заряда.
Однако отсюда нельзя автоматически выводить минимальное энергопотребление законченной вычислительной системы.
Необходимо учитывать энергию управляющих сигналов, работу измерительных усилителей, охлаждение и вероятность ошибок.
Особенно важно, что обнаружение отдельного электрона может требовать сложной измерительной инфраструктуры.
Следовательно, энергетическая эффективность должна оцениваться на уровне всей полезной электронной функции.
3.3.12. Молекулярные и одноэлектронные устройства как исходные направления PICO
Молекулярная электроника и одноэлектронные приборы представляют две разные физические траектории.
В первом случае функциональность определяется молекулярной структурой и электронным переносом через неё.
Во втором — дискретностью заряда и электростатикой малого островка.
Однако обе траектории демонстрируют принципиально важную возможность.
Электронная функция может определяться свойствами отдельных атомарных или молекулярных состояний.
Именно это создаёт научную основу для PICO.
Но для перехода к новой технологической платформе необходимо решить проблемы контактов, надёжности, воспроизводимости и интеграции.
3.4. Квантовые и альтернативные электронные архитектуры
3.4.1. Почему квантовая электроника требует отдельной классификации
Современная микроэлектроника уже использует квантовую механику в описании электронных приборов.
Однако обычный CMOS-процессор не является квантовым компьютером.
Его логические состояния проектируются таким образом, чтобы обеспечивать устойчивую классическую обработку информации.
В квантовой вычислительной системе, напротив, необходимо сохранять и управлять когерентными квантовыми состояниями.
Следовательно, физический механизм работы и критерии результативности могут существенно различаться.
Для настоящей книги необходимо рассматривать квантовые архитектуры как одно из перспективных направлений электронной элементной базы.
Но нельзя автоматически отождествлять всю квантовую электронику с PICO.
Многие квантовые устройства имеют размеры значительно больше атомных.
3.4.2. Квантовые точки
Квантовая точка представляет собой структуру, в которой движение носителей заряда ограничено в нескольких пространственных направлениях.
В результате могут возникать дискретные энергетические уровни.
Квантовые точки создаются различными методами.
Например, электростатическое управление может формировать локальную область удержания электрона в полупроводниковой структуре.
Другой способ связан с использованием атомарных дефектов или примесных центров.
Квантовые точки позволяют исследовать перенос отдельных электронов и спиновые состояния.
Однако наличие дискретных уровней ещё не гарантирует возможность практического квантового вычисления.
Для этого необходимы управляемые взаимодействия, устойчивость состояний и масштабируемая архитектура.
3.4.3. Донорные атомы кремния
Особый интерес представляют донорные атомы фосфора в кремнии.
Их электронные и ядерные спиновые состояния могут использоваться в качестве квантовых информационных переменных.
В 1998 году Брюс Кейн предложил одну из основополагающих архитектур кремниевого квантового компьютера на основе донорных атомов.
В последующие десятилетия развились методы атомарно-точного размещения примесей, управления спинами и квантового считывания.
В дорожной карте Roadmap on Atomic-Scale Semiconductor Devices, опубликованной в 2025 году, подробно рассматриваются достижения этого направления.
Однако необходимо учитывать, что атомарно-точное размещение квантовых элементов ещё не означает построения масштабного отказоустойчивого компьютера.
3.4.4. Квантовая когерентность
Для работы квантового бита необходимо управлять суперпозицией определённых квантовых состояний.
Однако взаимодействие с окружающей средой способно нарушать соответствующую когерентность.
Особенно важны электрический шум, магнитные флуктуации, дефекты материалов и взаимодействие с ядерными спинами.
Поэтому квантовая электроника предъявляет чрезвычайно высокие требования к материалам и измерениям.
В некоторых случаях используется изотопно очищенный кремний.
Это позволяет уменьшать влияние отдельных ядерных спинов окружающей кристаллической решётки.
Однако подобная очистка сопровождается дополнительными технологическими затратами.
Следовательно, квантовая элементная база требует самостоятельной оценки производственной и энергетической эффективности.
3.4.5. Промышленно совместимые кремниевые спиновые кубиты
24 сентября 2025 года в журнале Nature была опубликована работа Industry-Compatible Silicon Spin-Qubit Unit Cells Exceeding 99% Fidelity.
Исследователи продемонстрировали кремниевые двухкубитные устройства, изготовленные с использованием технологического оборудования для 300-мм пластин.
Для четырёх исследованных устройств точность основных одно- и двухкубитных операций превышала 99%.
В отдельных испытаниях точность подготовки и считывания состояний достигала порядка 99,9%.
Это значительный научно-технологический результат.
Он показывает возможность переноса некоторых принципов квантовой электроники в промышленно совместимую производственную среду.
Однако необходимо учитывать границы вывода.
Исследование четырёх устройств не доказывает, что на одной пластине уже можно воспроизводимо получать миллионы полностью работоспособных кубитов.
Для этого необходимо решить дополнительные проблемы межкубитного взаимодействия, управления, коррекции ошибок и промышленного выхода годных систем.
3.4.6. Логические квантовые операции в кремнии в 2026 году
23 марта 2026 года в Nature Nanotechnology была опубликована работа Universal Logical Operations in a Silicon Quantum Processor.
Авторы продемонстрировали логические квантовые операции на основе кластера донорных атомов фосфора в кремнии.
Использовался квантовый код [[4, 2, 2]].
Были исследованы подготовка логических состояний и операции над логическими кубитами.
В качестве демонстрационного алгоритма использовался вариационный квантовый метод исследования электронной структуры молекулы воды.
Однако необходимо различать экспериментальное выполнение логических операций и существование масштабного универсального отказоустойчивого квантового компьютера.
Результат 2026 года представляет важнейший научный шаг.
Но он не означает, что уже построена практически универсальная кремниевая квантовая вычислительная машина.
3.4.7. Квантовое управление на поверхности
Другим перспективным направлением является управление спинами отдельных атомов и молекул на поверхности.
Для этого могут использоваться методы электронного спинового резонанса в сканирующем туннельном микроскопе — ESR-STM.
В обзоре, опубликованном в 2025 году в Nanoscale Advances, рассматриваются возможности адресного управления отдельными атомарными спинами.
Особое значение имеют когерентные операции, управление взаимодействием между спинами и экспериментальные логические элементы.
Однако такие системы обычно требуют сложных лабораторных условий.
Особенно важны температура, магнитное поле, стабильность поверхности и средства считывания.
Следовательно, высокая физическая точность отдельной операции не является доказательством готовности массового квантового процессора.
3.4.8. Спинтроника
Спинтроника использует не только электрический заряд, но и спиновые степени свободы электронов.
Одним из важных направлений является создание магнитных элементов памяти.
Другие исследования связаны с управлением магнитными моментами отдельных атомов и малых структур.
Однако необходимо различать обычную промышленную спинтронику и атомарно-точные квантовые приборы.
Например, существование магниторезистивной памяти не означает, что вся её элементная база работает на пикометровом уровне структурного управления.
Следовательно, спинтроника представляет широкий класс технологий.
Её отдельные направления могут стать основой PICO, но такая принадлежность требует специальных критериев.
3.4.9. Спиновые, долинные и другие электронные степени свободы
Помимо заряда и спина, в современной физике исследуются другие способы представления информации.
Особое значение имеет valleytronics — использование долинных электронных состояний.
В определённых материалах электронная зонная структура может содержать несколько различных минимумов энергии.
Появляется возможность управлять их населённостью.
Другим направлением являются устройства, использующие экситонные состояния.
Исследуются также ферроэлектрические и другие материалы с переключаемой внутренней структурой.
Однако все подобные направления обладают собственными ограничениями.
Для технологического применения необходимо обеспечить устойчивость состояний, управляемость, считывание и возможность интеграции.
Следовательно, наличие новой физической степени свободы ещё не означает создания новой вычислительной технологии.
3.4.10. Мемристивные и нейроморфные устройства
Другим перспективным направлением являются устройства с изменяемым сопротивлением.
В некоторых конструкциях их состояние зависит от перемещения ионов или изменения локальных атомарных конфигураций.
Такие приборы могут использоваться в памяти и аналоговых вычислительных системах.
Однако необходимо учитывать стохастичность переключения, разброс характеристик и долговременную надёжность.
Особенно важно различать устройство с аналоговым изменением проводимости и полноценный интеллектуальный вычислительный комплекс.
Мемристор не является сам по себе ноокомпьютером.
Он может выступать физическим компонентом специализированной архитектуры.
Для использования в NOO необходима существенно более широкая система алгоритмов, памяти, научного поиска и экспериментальной проверки.
3.4.11. Квантовые технологии не обязательно представляют универсальную замену CMOS
Научная литература подтверждает значительный прогресс квантовых устройств.
Однако квантовые компьютеры не являются непосредственной универсальной заменой всех классических вычислительных систем.
Их преимущества зависят от конкретных алгоритмов и задач.
Особенно важно учитывать стоимость коррекции ошибок, управления, измерений и охлаждения.
Следовательно, даже успешная квантовая технология не обязательно обеспечивает более дешёвые универсальные вычисления.
Для настоящей книги необходимо исследовать функциональную специализацию различных физических платформ.
Пикоэлектроника может включать несколько разных архитектур, но не обязана сводиться исключительно к квантовым компьютерам.
3.4.12. Главный вывод об альтернативных архитектурах
Современная физика предоставляет множество возможных способов электронной обработки информации.
Однако их технологическая зрелость существенно различается.
Часть уже используется в промышленных устройствах.
Другие существуют в виде экспериментальных квантовых систем.
Третьи находятся на стадии фундаментальных исследований.
Следовательно, научно корректная программа PICO должна предусматривать сравнение различных физических механизмов без предварительного объявления одного из них гарантированным будущим лидером.
3.5. Системы управления электронными состояниями
3.5.1. От геометрии прибора к управлению состоянием
В традиционной микроэлектронике основное внимание уделяется конструкции транзистора и электрическим характеристикам его переключения.
Однако на атомарном уровне возникает возможность управлять более широким кругом физических параметров.
К ним относятся:
зарядовое состояние;
электронный спин;
орбитальное состояние;
энергетический уровень;
локальная конфигурация атомов;
состояние интерфейса;
квантовая когерентность.
Следовательно, предметом перспективной электроники может становиться не только движение электронов через определённый канал, но и управляемое изменение электронной структуры вещества.
3.5.2. Электрическое поле как средство управления
Одним из наиболее развитых физических методов остаётся воздействие электрическим полем.
В обычном MOS-транзисторе оно изменяет распределение электронного потенциала в канале.
Но на атомарном уровне соответствующее воздействие может изменять локальные энергетические уровни.
Возникают эффекты, связанные с электрическим сдвигом состояний.
Особое значение имеет эффект Штарка.
В определённых системах он позволяет изменять энергетические характеристики атомарных или молекулярных состояний.
Однако необходимо учитывать напряжённость поля и электрическую прочность окружающих материалов.
Следовательно, управление состоянием не может осуществляться независимо от требований к надёжности.
3.5.3. Магнитное управление
Магнитное поле позволяет воздействовать на спиновые состояния.
В квантовых системах оно может создавать различие между энергетическими уровнями.
При использовании переменного поля определённой частоты возможны резонансные переходы между состояниями.
Соответствующие методы применяются в исследованиях атомарных и молекулярных спинов.
Однако практическое управление требует высокой стабильности частоты, поля и окружающей среды.
Кроме того, необходимо обеспечивать считывание состояния.
Следовательно, магнитное управление представляет перспективный физический механизм, но его системная эффективность должна оцениваться экспериментально.
3.5.4. Электронный спиновый резонанс в STM
Особенно значительную роль играет сочетание сканирующей туннельной микроскопии с электронным спиновым резонансом.
В подобной системе туннельный зонд может использоваться для локального исследования и управления атомарным спином.
В 2025 году были опубликованы обзоры соответствующих возможностей.
Они показывают прогресс в когерентном управлении отдельными атомарными и молекулярными состояниями.
Однако это ещё не означает формирования массовой вычислительной платформы.
Необходимо исследовать возможность параллельного управления большим числом элементов, их соединения и устойчивого считывания.
3.5.5. Управление зарядовым состоянием молекулы
Заряд молекулы способен существенно влиять на её физические и химические свойства.
Изменение зарядового состояния может изменять конфигурацию электронных орбиталей.
В определённых случаях возникают структурные изменения и новые химические реакции.
В обзоре Probing Molecular Properties at Atomic Length Scale Using Charge-State Control, опубликованном в Chemical Reviews в 2025 году, рассматриваются методы управления зарядовыми состояниями отдельных молекул посредством STM и AFM.
Особое значение имеет способность стабилизировать разные состояния.
Однако необходимо различать управляемый эксперимент и промышленную электронную функцию.
Для практического устройства требуется большое количество воспроизводимых циклов переключения.
3.5.6. Механическое управление атомарной структурой
Другим перспективным способом является изменение положения атомов или локальных межатомных расстояний.
При этом могут изменяться электронные связи и вероятность туннелирования.
Однако необходимо учитывать физическую природу воздействия.
Например, смещение атома может сопровождаться упругой деформацией.
В другом случае возникает перестройка химической связи.
Эти процессы могут обладать различной обратимостью.
Следовательно, необходимо отдельно исследовать режимы, при которых функциональное изменение происходит без разрушения структуры.
3.5.7. Чувствительность туннельного тока к пикометровым расстояниям
Особенно наглядный пример связан с туннельным переносом.
В простой одномерной модели вероятность туннелирования через потенциальный барьер экспоненциально зависит от его ширины.
Для приближённой оценки:
T ; exp(;2;d),
где d — ширина барьера, ; — параметр, зависящий от массы носителя, энергии и высоты барьера.
Следовательно, сравнительно небольшое изменение d может заметно влиять на вероятность переноса заряда.
Для условной иллюстрации примем ; = 1 ;;;.
При изменении ширины барьера на 10 пм, или 0,1 ;, экспоненциальный множитель изменяется приблизительно на 22%.
Это демонстрирует потенциально высокую чувствительность туннельного переноса к пикометровым изменениям расстояния.
Однако необходимо подчеркнуть ограничения.
Указанное значение является модельной оценкой.
Реальный электронный перенос может зависеть от многочисленных дополнительных факторов.
Кроме того, чувствительность к смещению не означает способности управлять им с достаточной точностью.
Следовательно, для практической пикоэлектроники необходимо одновременно обеспечивать управляемость, воспроизводимость и устойчивость состояния.
3.5.8. Оптическое управление
Для определённых электронных систем возможно управление посредством света.
Например, фотон способен возбуждать электронное состояние.
В некоторых материалах оптическое воздействие изменяет распределение носителей между энергетическими уровнями.
Особенно интересны ультрабыстрые процессы.
Однако необходимо строго различать пространственные и временные масштабы.
Пикосекунда является единицей времени.
Пикометр — единицей длины.
Следовательно, эксперимент с пикосекундным переключением не становится автоматически пикоэлектронным устройством.
Для отнесения к PICO необходимо установить функциональную роль атомарного или пикометрового пространственного параметра.
3.5.9. Контроль посредством химического окружения
Электронные состояния отдельных атомов и молекул зависят от окружающей химической среды.
Изменение состава интерфейса может изменять энергетические барьеры.
Адсорбция отдельной молекулы способна создавать локальный заряд.
Атомарный дефект может формировать новое электронное состояние.
Следовательно, химическое окружение становится самостоятельным способом управления электронной функцией.
Однако такие воздействия могут быть медленными или необратимыми.
Поэтому необходимо исследовать возможность многократного переключения и восстановления исходного состояния.
3.5.10. Метрология управления состояниями
Для научно обоснованной пикоэлектроники недостаточно обнаружить изменение электрического сигнала.
Необходимо установить его физическую причину.
Например, изменение туннельного тока может быть связано с перемещением атома.
Но оно также может объясняться изменением состояния зонда или локальной плотности электронных состояний.
Следовательно, требуется независимая проверка.
Могут использоваться структурная микроскопия, спектроскопия, электрические измерения и математическое моделирование.
Особенно важно оценивать неопределённость.
Это позволяет разграничивать подлинное функциональное управление и случайные изменения экспериментальной системы.
3.5.11. От управляемого состояния к электронной функции
Для создания электронного устройства необходимо определить полезную операцию.
Например, система может переключаться между двумя устойчивыми зарядовыми состояниями.
Это создаёт предпосылку для памяти.
Другой прибор может изменять проводимость под воздействием напряжения.
Он может рассматриваться как переключатель.
Третья система может сохранять управляемое спиновое состояние.
Это создаёт предпосылку для квантовой информационной функции.
Однако наличие одного соответствующего эффекта недостаточно.
Необходимо обеспечить запись, считывание, устойчивость и возможность многократного использования.
Особенно важно исследовать взаимодействие нескольких элементов.
Без этого невозможно перейти от отдельного прибора к функциональной электронной архитектуре.
3.5.12. Какие системы наиболее интересны для PICO
В качестве предварительных направлений можно выделить следующие физические платформы.
Платформа Управляемая характеристика Потенциальная функция Основное ограничение
Атомарный донор в кремнии Заряд и спин Переключатель, кубит, сенсор Температура, контакты, масштабирование
Молекулярное соединение Орбитали и зарядовое состояние Выпрямление, переключение Вариабельность контактов и надёжность
Квантовая точка Число электронов, спин Сенсор, квантовый элемент Шум, управление, соединения
Атомарный дефект Локальное электронное состояние Память, сенсор, квантовый центр Точность создания и стабильность
Ван-дер-ваальсова структура Межслойное взаимодействие Переключение, специализированная электроника Интерфейсы и воспроизводимость
Туннельное соединение Ширина и форма барьера Управляемый электронный перенос Стабильность и паразитные эффекты
Все перечисленные платформы обладают научным интересом.
Однако их наличие не означает, что соответствующие технологии уже удовлетворяют критериям промышленной PICO.
3.5.13. Системы управления как технологическая проблема
Особенно важно учитывать, что атомарный электронный элемент не существует изолированно.
Для работы ему необходима система управления.
Например, квантовый спин может требовать высокочастотных сигналов.
Молекулярный переключатель — стабильных контактов и определённого электрического режима.
Атомарная квантовая точка — средств считывания и защиты от шумов.
Следовательно, сложность системы управления может существенно превышать сложность самого электронного элемента.
Это одна из основных причин, по которым рекордная миниатюризация не гарантирует высокой экономической эффективности.
Поэтому необходимо оценивать всю функциональную систему.
3.5.14. Возможность интеллектуального управления экспериментом
Современные методы машинного обучения могут использоваться для анализа атомарных структур и поиска оптимальных режимов управления.
Например, интеллектуальный алгоритм способен выбирать параметры STM-воздействия.
Другой алгоритм может помогать определять электрические режимы квантовой точки.
Однако подобная автоматизация требует проверки.
Необходимо учитывать физические ограничения, вероятность повреждения структуры и ошибки измерений.
Особенно важно сохранять возможность независимого анализа результатов.
Следовательно, интеллектуальное управление может представлять важную предпосылку NOO, но само по себе ещё не является доказательством существования ноомашины или Метаразвития.
3.6. Критерии перехода к пикоэлектронному уровню
3.6.1. Почему определение PICO должно быть операциональным
Главной научно-методологической задачей является создание критериев, позволяющих отличать пикоэлектронику от обычного продолжения нанотехнологий.
Простого использования слова «пико» недостаточно.
Например, исследователь может измерять атомарную структуру с пикометровой точностью.
Однако это ещё не означает создания нового электронного устройства.
Другой эксперимент может использовать молекулу в качестве проводящего элемента.
Но если её функциональные характеристики не контролируются воспроизводимо, технология остаётся на стадии исследовательской демонстрации.
Следовательно, определение PICO должно включать физические, функциональные и технологические критерии.
3.6.2. Предлагаемое научное определение
В настоящей книге предлагается следующее рабочее определение.
Пикоэлектроника (PICO) — перспективная научно-технологическая субтехнология Метаразвития, направленная на создание электронных устройств и систем, функциональные свойства которых определяются воспроизводимо управляемыми атомарными конфигурациями, электронными состояниями или структурными параметрами пикометрового масштаба, с экспериментально подтверждённым преимуществом для определённой электронной функции.
Это определение содержит несколько принципиальных положений.
Во-первых, предметом PICO является электронная функция.
Во-вторых, её физическое основание связано с атомарной структурой и управлением электронными состояниями.
В-третьих, результат должен быть воспроизводимым.
В-четвёртых, необходимо установить измеримое функциональное преимущество.
Однако речь не обязательно идёт о превосходстве по всем возможным характеристикам.
Новая технология может иметь преимущество в чувствительности, энергопотреблении, плотности хранения или другой определённой функции.
Следовательно, сравнение должно осуществляться относительно заранее выбранной задачи.
3.6.3. Почему одного пикометрового размера недостаточно
Предположим, что исследователь способен обнаруживать изменение межатомного расстояния на один пикометр.
Это значительное метрологическое достижение.
Но если соответствующее изменение не связано с управляемой электронной функцией, оно не является достаточным основанием для признания полноценного пикоэлектронного прибора.
Другой пример — атомарная структура с размерами в сотни пикометров.
Она может обладать интересными электронными свойствами.
Но если их невозможно воспроизводимо использовать, речь остаётся о фундаментальном исследовании.
Следовательно, геометрический масштаб должен рассматриваться совместно с функциональной результативностью.
3.6.4. Первый критерий: установленный физический механизм
Для каждого предполагаемого пикоэлектронного устройства необходимо определить основной физический механизм.
Например, это может быть кулоновская блокада.
Другой вариант — резонансный туннельный перенос.
Третий — управляемое изменение спинового состояния.
Четвёртый — изменение энергетических уровней вследствие атомарной конфигурации.
Однако необходимо установить не только наличие соответствующего эффекта.
Следует показать, что именно он определяет предполагаемую электронную функцию.
Особенно важны эксперименты, позволяющие исключать альтернативные объяснения.
3.6.5. Второй критерий: контролируемый пространственный параметр
Необходимо определить, какой атомарный или пикометровый параметр влияет на электронную функцию.
Например, межатомное расстояние, локальное смещение, ориентация молекулы или конфигурация дефекта.
Затем следует установить диапазон управляемого изменения.
Особенно важно количественно оценивать неопределённость.
Например, заявление об управлении смещением порядка нескольких пикометров не является убедительным, если измерительная неопределённость существенно превышает само предполагаемое смещение.
Следовательно, метрологическая проверка должна быть неотъемлемой частью PICO.
3.6.6. Третий критерий: доказанная причинная связь
Необходимо показать, что изменение контролируемого параметра действительно вызывает изменение электронной функции.
Особенно важно использовать последовательные измерения.
Например, можно сравнивать электронные характеристики до и после изменения атомарной структуры.
Однако необходимо учитывать возможные изменения состояния измерительного зонда и окружающей среды.
Следовательно, причинная связь должна подтверждаться независимыми контрольными экспериментами.
Без этого невозможно отличить новую физическую функцию от измерительного артефакта.
3.6.7. Четвёртый критерий: воспроизводимость
Один успешный эксперимент не является достаточным доказательством существования новой технологии.
Необходимо повторять результат.
Особенно важно использовать различные образцы.
Желательно также проводить независимые межлабораторные исследования.
Однако количество повторений должно определяться статистическими характеристиками конкретной системы.
Не существует одного универсального числа экспериментов, достаточного для любых физических технологий.
Следовательно, программа PICO должна использовать заранее определённые критерии воспроизводимости и допустимой неопределённости.
3.6.8. Пятый критерий: функциональная полезность
Необходимо определить, какую электронную задачу решает предполагаемое устройство.
Это может быть переключение, хранение информации, измерение заряда, квантовое управление или другая функция.
При этом необходимо сравнивать результат с существующими альтернативами.
Например, чрезвычайно малый переключатель может оказаться слишком медленным.
Другой прибор может требовать чрезвычайно сложной криогенной инфраструктуры.
Следовательно, функциональная полезность не может оцениваться исключительно геометрической компактностью.
3.6.9. Шестой критерий: возможность интеграции
Для перехода от отдельного физического эффекта к электронной технологии необходимо обеспечить взаимодействие нескольких элементов.
Это требует контактов, схем управления, считывания и передачи информации.
Особенно важно, чтобы свойства отдельных элементов сохранялись после интеграции.
Например, атомарная структура может успешно работать в сканирующем туннельном микроскопе.
Но при соединении с обычными электродами её характеристики могут существенно измениться.
Следовательно, интегрируемость должна проверяться экспериментально.
3.6.10. Седьмой критерий: технологическая масштабируемость
Для промышленного применения необходимо обеспечить воспроизводимое изготовление значительного количества устройств.
Особенно важны выход годных, скорость технологических операций и стоимость производства.
Однако не все перспективные пикоэлектронные устройства обязательно должны быть массовыми вычислительными элементами.
Например, атомарный сенсор может иметь высокую экономическую ценность при небольшом объёме производства.
Следовательно, масштабируемость должна оцениваться относительно предполагаемого применения.
Однако в любом случае необходимо подтвердить возможность воспроизводимого изготовления соответствующего количества функциональных элементов.
3.6.11. Восьмой критерий: полная энергетическая эффективность
Один из возможных стратегических результатов PICO связан со снижением энергии электронной функции.
Однако необходимо учитывать полные затраты.
Например, атомарный переключатель может требовать очень малой энергии непосредственного изменения состояния.
Но система управления и охлаждения может потреблять значительно больше.
Поэтому энергетическая эффективность должна оцениваться на уровне законченного функционального устройства.
Для вычислительных систем особенно важно учитывать энергию передачи и хранения данных.
3.6.12. Девятый критерий: экономическая осуществимость
Даже физически совершенная технология может оказаться слишком дорогой.
Необходимо учитывать стоимость оборудования, материалов, изготовления, испытаний и эксплуатации.
Особенно важно сравнивать предполагаемую технологию с лучшими существующими альтернативами.
Однако фундаментальная исследовательская программа не должна требовать немедленного коммерческого преимущества.
На ранней стадии достаточно доказать физическую осуществимость и перспективность дальнейших исследований.
Следовательно, экономические требования должны повышаться по мере перехода от научной демонстрации к промышленному производству.
3.6.13. Предлагаемая шкала зрелости PICO
Для научного проектирования предлагается использовать следующую авторскую классификацию.
Уровень Статус Необходимый результат
P0 Физическая гипотеза Сформулирован предполагаемый механизм
P1 Подтверждённый атомарный или пикометровый эффект Получено количественно проверенное физическое наблюдение
P2 Управляемый экспериментальный элемент Подтверждена причинная связь между управлением и электронной функцией
P3 Воспроизводимое функциональное устройство Результат повторяется при заранее определённых критериях
P4 Интегрируемая технологическая платформа Созданы взаимодействующие элементы с установленной надёжностью
P5 Практически освоенная PICO-технология Подтверждены необходимые для применения производство, стоимость и эксплуатационные характеристики
Шкала предложена для исследовательской программы настоящей книги. Она не является действующим международным стандартом.
При этом переход на следующий уровень должен подтверждаться соответствующими результатами.
Нельзя автоматически объявлять P5 на основании успешной лабораторной демонстрации P2.
Аналогично высокая точность измерений уровня P1 не означает существования функционального электронного устройства.
3.6.14. Как оценивать существующие научные достижения
Предложенная классификация позволяет более точно рассматривать реальные результаты.
Атомарное размещение ксенона посредством STM подтверждает возможность управляемой атомарной манипуляции.
Однако оно не представляет собой готовую интегральную электронную технологию.
Одноатомный транзистор 2012 года демонстрирует реальную электронную функцию на основе отдельного донорного атома.
Но не подтверждает массовую промышленную пригодность соответствующего устройства.
Молекулярные переключатели демонстрируют перспективные физические механизмы.
Однако их воспроизводимость и интеграция существенно зависят от конкретной системы.
Квантовые операции на донорных атомах подтверждают возможность управления соответствующими электронными состояниями.
Но не означают существования универсальной пикоэлектронной вычислительной платформы.
Следовательно, научный прогресс необходимо оценивать по конкретным результатам, не объединяя все достижения в преждевременное заявление о завершённой технологической революции.
3.6.15. Программа экспериментальной проверки PICO
Для будущей исследовательской системы необходимо сформировать набор экспериментальных задач.
На первом этапе выбираются физически обоснованные гипотезы.
Для каждой необходимо определить контролируемый параметр.
Затем выбирается метод измерения.
После этого проводится эксперимент.
Полученные результаты должны сопоставляться с физической моделью.
Особенно важно предусматривать условия возможного опровержения гипотезы.
Если наблюдаемый эффект не подтверждается, соответствующее направление должно пересматриваться.
При этом отрицательный результат может обладать значительной научной ценностью.
Он позволяет исключать неверные предположения и сокращать последующие затраты.
3.6.16. Необходимость международной метрологической и научной кооперации
Для исследования PICO могут потребоваться чрезвычайно сложные измерительные системы.
Особенно важны STM, AFM, электронная микроскопия, спектроскопия, криогенные средства и оборудование атомарно-точной обработки.
Однако отдельная исследовательская организация не обязательно должна владеть всеми соответствующими инструментами.
Возможно использование международной научной инфраструктуры.
При этом необходимо учитывать условия доступа, право использования результатов и технологические ограничения.
Особенно важно обеспечивать независимую проверку экспериментальных достижений.
Следовательно, научная кооперация должна рассматриваться как один из важнейших инструментов развития PICO.
3.6.17. Отличие исследовательской PICO от промышленной PICO
Необходимо особенно строго различать две стадии.
Исследовательская PICO направлена на открытие и проверку новых физических возможностей.
Её основными результатами могут стать новые экспериментальные эффекты, приборные принципы и способы управления электронными состояниями.
Промышленная PICO должна обеспечивать воспроизводимое изготовление устройств для определённых применений.
Её результативность необходимо оценивать по надёжности, стоимости, качеству и масштабируемости.
Следовательно, переход от исследовательской к промышленной PICO является самостоятельной задачей.
Он не может гарантироваться одним физическим открытием.
3.6.18. Что должно отличать PICO от обычного продолжения NANO
Главное отличие предлагается определять не только пространственным масштабом.
Более существенным является способ создания электронной функции.
В современной наноэлектронике атомарная структура обычно выступает физическим основанием материалов и приборов.
В перспективной PICO предполагается возможность сделать специально контролируемую атомарную конфигурацию или электронное состояние непосредственным функциональным механизмом.
Однако необходимо признать, что подобный подход частично уже используется в атомарной электронике и квантовых технологиях.
Поэтому PICO не должна искусственно присваивать себе существующие научные достижения как совершенно новые.
Её самостоятельная научная ценность должна заключаться в систематическом развитии, интеграции и проверяемом совершенствовании соответствующих физических технологий.
Именно это создаёт возможность формирования нового исследовательского направления.
Перспективная карта направлений PICO
На основании рассмотренного материала можно предложить предварительную систематизацию.
Направление Исходная научная база Потенциальная функция Главный риск
Атомарно-точная кремниевая электроника STM, донорные атомы, незавершённые связи Логика, сенсоры, квантовые элементы Скорость изготовления и интеграция
Молекулярная электроника Квантовая химия, молекулярные контакты Переключение, выпрямление, память Контакты, стабильность, воспроизводимость
Одноэлектронные приборы Кулоновская блокада, квантовые точки Измерения, специализированная логика Температура и паразитные эффекты
Спиновая электроника атомарного уровня Донорные центры, ESR-STM Квантовые операции, хранение, сенсоры Когерентность, управление, масштабирование
Атомарно управляемые интерфейсы Двумерные материалы, гетероструктуры Новые способы переноса заряда Дефектность и контролируемость
Туннельные пикочувствительные системы Квантовое туннелирование Переключатели, сенсоры Дрейф, шум, стабильность
Гибридная PICO–CMOS Атомарные функциональные элементы и обычные микросхемы Специализированные интегральные системы Совместимость производства
Таблица представляет авторскую исследовательскую классификацию. Она не означает, что перечисленные направления уже образуют единую промышленную пикоэлектронную платформу.
Значение PICO для генеральной технологии Метаразвития
В настоящей книге пикоэлектроника рассматривается не как изолированная научная программа.
Она является одной из двух базовых субтехнологий Метаразвития.
Вторая базовая субтехнология — NOO — ориентирована на создание интеллектуально-креативных систем научного поиска, проектирования и экспериментальной проверки.
Однако принципиально важно сохранить правильную технологическую иерархию.
META — генеральная технология Метаразвития.
PICO — её физико-технологическая субтехнология.
NOO — её интеллектуально-технологическая субтехнология.
Обе базовые субтехнологии должны инициироваться одновременно.
При этом их первоначальные исследовательские задачи и потребности в ресурсах могут различаться.
Программа PICO может начинаться с исследований отдельных физических эффектов и атомарных структур.
Программа NOO может начинаться с использования существующей вычислительной инфраструктуры.
Следовательно, создание ноотехнологий не должно зависеть от предварительного появления новой пикоэлектронной элементной базы.
А физические исследования PICO не должны откладываться до создания совершенных ноомашин.
Главная задача генеральной программы META должна заключаться в создании механизма их проверяемого взаимного ускорения.
Например, интеллектуальные системы NOO могут участвовать в анализе экспериментальных данных PICO.
Они могут предлагать новые физические гипотезы.
Могут помогать выбирать наиболее информативные эксперименты.
Могут участвовать в разработке средств моделирования атомарных и молекулярных устройств.
Однако соответствующие результаты необходимо проверять независимо.
В свою очередь, успешные исследования PICO могут создать новые физические возможности для будущих интеллектуальных вычислительных систем.
Но подобное преимущество не следует объявлять доказанным заранее.
Для подтверждения Метаразвития необходимо установить, что совместная научно-технологическая система способна воспроизводимо улучшать методы создания последующих технологий.
Особенно важны время получения проверенного результата, полная стоимость исследований, качество, энергетические затраты и вероятность успешного завершения задачи.
Следовательно, стратегическая ценность PICO для INM определяется не только потенциальными характеристиками будущих электронных приборов.
Не менее важна возможность использовать физические исследования как одну из экспериментальных областей проверки технологии Метаразвития.
Заключение к главе 3
Проведённый анализ позволяет сформулировать научно обоснованную исходную концепцию пикоэлектроники.
Прежде всего необходимо отказаться от представления, что она возникает автоматически после достижения очередного нанометрового технологического поколения.
Один пикометр значительно меньше характерных размеров атома.
Поэтому создание обычного транзистора физическим размером один пикометр не может рассматриваться как простой следующий этап CMOS-миниатюризации.
Однако атомарная структура вещества содержит многочисленные физические возможности, которые уже становятся предметом управляемых экспериментов.
Исследователи научились перемещать отдельные атомы на поверхности.
Создавать электронные приборы на основе единичных донорных атомов.
Управлять зарядовыми состояниями молекул.
Исследовать одноэлектронный перенос.
Формировать квантовые точки.
Управлять отдельными атомарными спинами.
Создавать экспериментальные кремниевые квантовые процессоры.
Эти результаты свидетельствуют о реальном существовании научных основ атомарно-точной электроники.
Однако соответствующие направления обладают различной технологической зрелостью.
Одноатомный транзистор является значительным физическим достижением, но не массовой заменой CMOS.
Молекулярный переключатель может обладать уникальными характеристиками, но сталкиваться с ограничениями контактов и надёжности.
Квантовый электронный прибор способен выполнять определённые логические операции, но требовать сложной криогенной инфраструктуры.
Следовательно, ни одно из перечисленных достижений не должно автоматически интерпретироваться как существование готовой промышленной PICO.
Именно поэтому в настоящей главе предложено рабочее определение пикоэлектроники.
Её предметом должны стать электронные функции, определяемые специально созданными и воспроизводимо управляемыми атомарными конфигурациями, электронными состояниями и структурными параметрами пикометрового масштаба.
При этом необходимо подтвердить физический механизм, управляемость, функциональную полезность и воспроизводимость.
Для промышленного применения дополнительно требуются интеграция, надёжность, масштабируемость и экономическая осуществимость.
Таким образом, пикоэлектроника не должна определяться исключительно геометрическим размером.
Её научное содержание заключается в возможности превращения управляемой атомарной структуры вещества и электронных состояний в воспроизводимую инженерную функцию.
Это принципиально новая постановка технологической задачи.
Однако соответствующая постановка не отменяет достижений современной наноэлектроники.
Напротив, она основывается на них.
Сканирующая зондовая микроскопия, атомарная литография, технологии новых материалов, контактная инженерия и методы квантового управления создают необходимые экспериментальные предпосылки.
Следовательно, дальнейшее развитие должно осуществляться посредством последовательных научных исследований.
Необходимо выбирать физически обоснованные направления.
Формулировать проверяемые гипотезы.
Создавать экспериментальные приборы.
Проводить независимые измерения.
Оценивать воспроизводимость.
Исследовать перспективы интеграции и промышленного применения.
Только после этого можно переходить к крупномасштабным инвестиционным решениям.
Для проекта International NooMachines данный подход имеет фундаментальное значение.
Генеральной стратегической целью INM является создание, освоение и непрерывное совершенствование технологии Метаразвития — технологии опережения опережения.
Пикоэлектроника и ноотехнологии выступают двумя базовыми субтехнологиями этой генеральной технологии.
Они должны развиваться одновременно и в единой научно-технологической системе.
При этом основной результат проекта должен заключаться не только в создании определённого поколения электронных устройств.
Необходимо экспериментально подтвердить способность научно-технологической системы создавать последующие поколения технологий быстрее и эффективнее существующих альтернатив.
Особенно важно доказать совершенствование самого механизма их разработки.
Таким образом, PICO представляет не гарантированную промышленную революцию, а научно-технологическую задачу с чрезвычайно значительным потенциальным результатом.
Её успех должен определяться не названием будущего технологического поколения, а проверяемыми физическими достижениями.
От нанометровой геометрии — к атомарной функциональности. От атомарной функциональности — к управлению электронными состояниями. От отдельных экспериментальных устройств — к проектированию воспроизводимой пикоэлектронной технологии. От развития новой элементной базы — к Метаразвитию.
Основные источники и научная литература
Пространственные масштабы и фундаментальные физические величины
BIPM. The International System of Units (SI): Prefixes. Bureau International des Poids et Mesures. Официальные определения десятичных приставок nano, pico и femto.
https://www.bipm.org/en/measurement-units/si-prefixes
NIST. CODATA Value: Bohr Radius. National Institute of Standards and Technology. CODATA Recommended Values of the Fundamental Physical Constants: 2022. Справочные данные по боровскому радиусу и фундаментальным атомным масштабам.
https://physics.nist.gov/cuu/Constants/
Cline J. P., Mendenhall M. H., Black D., Henins A., Prothero J. B. Certification of Standard Reference Material 640g: Line Position and Line Shape Standard for Powder Diffraction (Silicon Powder). NIST Special Publication 260-245. 2024. Аттестованные кристаллографические параметры кремния и метрологическая прослеживаемость измерений.
DOI: https://doi.org/10.6028/NIST.SP.260-245
Cordero B., G;mez V., Platero-Prats A. E. et al. Covalent Radii Revisited. Dalton Transactions. 2008. No. 21. P. 2832–2838. Систематизация ковалентных радиусов химических элементов на основе кристаллографических данных.
DOI: https://doi.org/10.1039/B801115J
Mohr P. J., Newell D. B., Taylor B. N., Tiesinga E. CODATA Recommended Values of the Fundamental Physical Constants: 2022. Reviews of Modern Physics. 2025. Vol. 97. Article 025002. Современная фундаментальная метрологическая база для количественного анализа электронных и атомных систем.
DOI: https://doi.org/10.1103/RevModPhys.97.025002
Атомарно-точное производство и сканирующая зондовая технология
Binnig G., Rohrer H., Gerber Ch., Weibel E. Surface Studies by Scanning Tunneling Microscopy. Physical Review Letters. 1982. Vol. 49. P. 57–61. Одна из основополагающих публикаций по сканирующей туннельной микроскопии.
DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.49.57
Binnig G., Quate C. F., Gerber Ch. Atomic Force Microscope. Physical Review Letters. 1986. Vol. 56. P. 930–933. Создание атомно-силовой микроскопии как инструмента исследования поверхностей.
DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.56.930
Eigler D. M., Schweizer E. K. Positioning Single Atoms with a Scanning Tunnelling Microscope. Nature. 1990. Vol. 344. P. 524–526. Экспериментальная демонстрация контролируемого позиционирования отдельных атомов ксенона.
DOI: https://doi.org/10.1038/344524a0
Lyding J. W., Shen T. C., Hubacek J. S., Tucker J. R., Abeln G. C. Nanoscale Patterning and Oxidation of H-passivated Si(100)-2;1 Surfaces with an Ultrahigh Vacuum Scanning Tunneling Microscope. Applied Physics Letters. 1994. Vol. 64. P. 2010–2012. Фундаментальная работа по локальной десорбции водорода и литографическому формированию наноструктур на кремнии.
DOI: https://doi.org/10.1063/1.111722
Schofield S. R., Curson N. J., Simmons M. Y. et al. Atomically Precise Placement of Single Dopants in Si. Physical Review Letters. 2003. Vol. 91. Article 136104. Управляемое размещение отдельных донорных атомов фосфора в кремниевой структуре.
DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.91.136104
Gross L., Mohn F., Moll N., Liljeroth P., Meyer G. The Chemical Structure of a Molecule Resolved by Atomic Force Microscopy. Science. 2009. Vol. 325. P. 1110–1114. Экспериментальная демонстрация визуализации внутримолекулярной структуры с помощью атомно-силовой микроскопии.
DOI: https://doi.org/10.1126/science.1176210
Fuechsle M., Miwa J. A., Mahapatra S. et al. A Single-Atom Transistor. Nature Nanotechnology. 2012. Vol. 7. P. 242–246. Экспериментальное создание транзистора с функциональным участием отдельного атома фосфора, детерминированно размещённого в кремнии.
DOI: https://doi.org/10.1038/nnano.2012.21
Tranter A. D., Kranz L., Sutherland S. et al. Machine Learning-Assisted Precision Manufacturing of Atom Qubits in Silicon. ACS Nano. 2024. Vol. 18. No. 30. P. 19489–19497. Использование методов машинного обучения для повышения эффективности атомарно-точного изготовления кремниевых квантовых структур.
DOI: https://doi.org/10.1021/acsnano.4c00080
Молекулярные и одноэлектронные электронные устройства
Aviram A., Ratner M. A. Molecular Rectifiers. Chemical Physics Letters. 1974. Vol. 29. No. 2. P. 277–283. Теоретическая концепция молекулярного выпрямителя и одно из фундаментальных оснований молекулярной электроники.
DOI: https://doi.org/10.1016/0009-2614(74)85031-1
Reed M. A., Zhou C., Muller C. J., Burgin T. P., Tour J. M. Conductance of a Molecular Junction. Science. 1997. Vol. 278. P. 252–254. Экспериментальное исследование электронного переноса через молекулярный контакт.
DOI: https://doi.org/10.1126/science.278.5336.252
Nitzan A., Ratner M. A. Electron Transport in Molecular Wire Junctions. Science. 2003. Vol. 300. P. 1384–1389. Обзор физических механизмов электронного транспорта в молекулярных проводниках и контактах.
DOI: https://doi.org/10.1126/science.1081572
Aradhya S. V., Venkataraman L. Single-Molecule Junctions Beyond Electronic Transport. Nature Nanotechnology. 2013. Vol. 8. P. 399–410. Анализ молекулярных соединений, включая электронные, механические и термоэлектрические характеристики.
DOI: https://doi.org/10.1038/nnano.2013.91
Fulton T. A., Dolan G. J. Observation of Single-Electron Charging Effects in Small Tunnel Junctions. Physical Review Letters. 1987. Vol. 59. P. 109–112. Экспериментальное исследование эффектов дискретного электронного заряжения и физических предпосылок одноэлектронных приборов.
DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.59.109
Likharev K. K. Single-Electron Devices and Their Applications. Proceedings of the IEEE. 1999. Vol. 87. No. 4. P. 606–632. Фундаментальный обзор одноэлектронных приборов, кулоновской блокады и возможных электронных применений.
DOI: https://doi.org/10.1109/5.752518
Квантовые и альтернативные электронные архитектуры
Kane B. E. A Silicon-Based Nuclear Spin Quantum Computer. Nature. 1998. Vol. 393. P. 133–137. Концепция квантового вычислителя на основе ядерных спинов донорных атомов в кремнии.
DOI: https://doi.org/10.1038/30156
Loss D., DiVincenzo D. P. Quantum Computation with Quantum Dots. Physical Review A. 1998. Vol. 57. P. 120–126. Теоретическая архитектура квантовых вычислений на основе спиновых состояний электронов в квантовых точках.
DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevA.57.120
Pla J. J., Tan K. Y., Dehollain J. P. et al. A Single-Atom Electron Spin Qubit in Silicon. Nature. 2012. Vol. 489. P. 541–545. Экспериментальное управление электронным спиновым кубитом, связанным с отдельным атомом в кремнии.
DOI: https://doi.org/10.1038/nature11449
Zwanenburg F. A., Dzurak A. S., Morello A. et al. Silicon Quantum Electronics. Reviews of Modern Physics. 2013. Vol. 85. P. 961–1019. Фундаментальный обзор кремниевой квантовой электроники, донорных структур и полупроводниковых квантовых точек.
DOI: https://doi.org/10.1103/RevModPhys.85.961
M;dzik M. T., Asaad S., Youssry A. et al. Precision Tomography of a Three-Qubit Donor Quantum Processor in Silicon. Nature. 2022. Vol. 601. P. 348–353. Экспериментальная квантовая логика и прецизионная оценка операций в донорной кремниевой системе.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-021-04292-7
Edlbauer H., Wang J., Huq A. M. S.-E. et al. An 11-Qubit Atom Processor in Silicon. Nature. 2025. Vol. 648. P. 569–575. Экспериментальная реализация кремниевого атомного квантового процессора с одиннадцатью кубитами и управляемой связью между спиновыми регистрами.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-025-09827-w
Novoselov K. S., Geim A. K., Morozov S. V. et al. Electric Field Effect in Atomically Thin Carbon Films. Science. 2004. Vol. 306. P. 666–669. Экспериментальное исследование электронных свойств атомарно-тонких углеродных плёнок.
DOI: https://doi.org/10.1126/science.1102896
Radisavljevic B., Radenovic A., Brivio J., Giacometti V., Kis A. Single-Layer MoS; Transistors. Nature Nanotechnology. 2011. Vol. 6. P. 147–150. Демонстрация полевого транзистора на основе однослойного двумерного полупроводника.
DOI: https://doi.org/10.1038/nnano.2010.279
Geim A. K., Grigorieva I. V. Van der Waals Heterostructures. Nature. 2013. Vol. 499. P. 419–425. Перспективы формирования электронных структур посредством послойного объединения атомарно-тонких материалов.
DOI: https://doi.org/10.1038/nature12385
Strukov D. B., Snider G. S., Stewart D. R., Williams R. S. The Missing Memristor Found. Nature. 2008. Vol. 453. P. 80–83. Физическая модель мемристивного поведения в наномасштабных структурах с электронным и ионным переносом.
DOI: https://doi.org/10.1038/nature06932
Ielmini D., Wong H.-S. P. In-Memory Computing with Resistive Switching Devices. Nature Electronics. 2018. Vol. 1. P. 333–343. Перспективы вычислений непосредственно в устройствах памяти на основе переключаемого сопротивления.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41928-018-0092-2
Системы управления электронными состояниями
Baumann S., Paul W., Choi T. et al. Electron Paramagnetic Resonance of Individual Atoms on a Surface. Science. 2015. Vol. 350. P. 417–420. Экспериментальное исследование электронного парамагнитного резонанса отдельных атомов с использованием сканирующей туннельной микроскопии.
DOI: https://doi.org/10.1126/science.aac8703
Patera L. L., Fatayer S., Repp J., Gross L. Probing Molecular Properties at Atomic Length Scale Using Charge-State Control. Chemical Reviews. 2025. Vol. 125. No. 12. P. 5830–5847. Обзор методов управления зарядовыми состояниями отдельных молекул и исследования их электронных, структурных и химических свойств.
DOI: https://doi.org/10.1021/acs.chemrev.4c00899
Choi D.-J., Phark S.-H., Heinrich A. J., Lorente N. Electron Spin Resonance with Scanning Tunneling Microscopy: A Tool for an On-Surface Quantum Platform of Identical Qubits. Nanoscale Advances. 2025. Vol. 7. P. 4551–4558. Обзор электрического управления атомарными и молекулярными спинами посредством ESR-STM.
DOI: https://doi.org/10.1039/D5NA00316D
Xuan D., Wang Y., Zhang X. Electrically Coherent Manipulation of Individual Atomic and Molecular Spins on Surface. Physical Chemistry Chemical Physics. 2025. Vol. 27. P. 5443–5458. Обзор когерентного управления отдельными атомными и молекулярными спинами, включая многоспиновые системы.
DOI: https://doi.org/10.1039/D5CP00069F
Zurek W. H. Decoherence, Einselection, and the Quantum Origins of the Classical. Reviews of Modern Physics. 2003. Vol. 75. P. 715–775. Фундаментальный анализ декогеренции и взаимодействия квантовых состояний с окружающей средой.
DOI: https://doi.org/10.1103/RevModPhys.75.715
Метрология, воспроизводимость и критерии технологической зрелости
JCGM. Evaluation of Measurement Data — Guide to the Expression of Uncertainty in Measurement. JCGM 100:2008. Joint Committee for Guides in Metrology. Основное международное руководство по оцениванию неопределённости результатов измерений.
DOI: https://doi.org/10.59161/JCGM100-2008E
JCGM. International Vocabulary of Metrology — Basic and General Concepts and Associated Terms (VIM). JCGM 200:2012. Международные определения метрологических понятий, включая точность, воспроизводимость и прослеживаемость результатов измерений.
DOI: https://doi.org/10.59161/JCGM200-2012
Knill E., Leibfried D., Reichle R. et al. Randomized Benchmarking of Quantum Gates. Physical Review A. 2008. Vol. 77. Article 012307. Методы экспериментальной количественной оценки ошибок квантовых операций.
DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevA.77.012307
Nielsen E., Gamble J. K., Rudinger K., Scholten T., Young K., Blume-Kohout R. Gate Set Tomography. Quantum. 2021. Vol. 5. Article 557. Методы комплексной и самосогласованной оценки характеристик операций квантовых вычислительных устройств.
DOI: https://doi.org/10.22331/q-2021-10-05-557
Landauer R. Irreversibility and Heat Generation in the Computing Process. IBM Journal of Research and Development. 1961. Vol. 5. No. 3. P. 183–191. Фундаментальная работа о связи логической необратимости вычислений и термодинамических затрат, необходимая для анализа энергетических пределов будущей электронной техники.
DOI: https://doi.org/10.1147/rd.53.0183
********
Пикоэлектроника. Определение и перспективы
© Copyright: Вадимир Петросян, 2026
Свидетельство о публикации №226102400705
Свидетельство о публикации №226102400705
Рецензии