Kontrola układów nano i mezoskopowych przez

Controlling of nano- and mesosystems by non-classical
electromagnetic fields
Opiekun naukowy: dr hab. prof. UŚ Jerzy Dajka
Postępująca miniaturyzacja urządzeń stosowanych przez nas dla ułatwienia sobie życia
otwiera przed nami zupełnie nowy obszar badań określany trudnym do sprecyzowania
terminem: nanotechnologia. Nano- i mezoukłady znajdują się na tajemniczym pograniczu
klasycznego makroświata i rządzonego prawami mechaniki kwantowej świata mikro.
Oznacza to, że ich opis wymagać musi użycia najbardziej zaawansowanych metod
współczesnej fizyki: nanofizyki. Nanourządzenia zaprojektowane do przewodzenia prądu lub
ciepła i zbudowane z kilku lub kilkunastu atomów stanowić będą elementy składowe
zminiaturyzowanych maszyn przyszłości. Skuteczny mariaż nanofizyki i technologii
informacyjnej pozwoli na dotarcie do granic miniaturyzacji procesorów, granic
wyznaczonych rozmiarami atomów. Nano- i mezoukłady nie należą do łatwych w opisie. Są
zbyt małe, aby znane dzisiejszym inżynierom metody okazały się użyteczne. Są też zbyt duże,
aby zaprząc do ich opisu wyłącznie metody fizyki atomowej lub molekularnej. No i
oczywiście ich działanie pozostaje niezwykle zależne od wpływów środowiska, w którym
pracują. Wpływ ten uwidocznia się w zabójczym dla kwantów procesie dekoherencji.
Własności nanoukładów zależą przede wszystkim od sposobu ich konstrukcji, na który składa
się dobór elementarnych cegiełek tworzących nanoukład wraz z ich wzajemnymi
powiązaniami. Projektowanie takich konstrukcji, tworzących swoisty 'hardware', stanowi
warunek konieczny dla skutecznej implementacji modeli nanofizyki. Drugim krokiem jest
próba dynamicznego zmieniania własności nanoukładów w procesie szeroko rozumianego
sterowania. Problem badania własności sterowanych układów kwantowych i semiklasycznych
stanowi dziś jeden z centralnych problemów nanofizyki. W ramach projektu zogniskujemy
nasze wysiłki na badaniu własności termicznych i transportowych nanoukładów
modyfikowanych bardzo szczególnym rodzajem sterowania. W odróżnieniu od typowych
rozwiązań, lepiej lub gorzej upowszechnionych w literaturze specjalistycznej w ciągu
ostatnich kilku lat, zamierzamy rozważać sterowania nieklasyczne. Taki typ sterowań
charakteryzuje się skuteczniejszą możliwością modyfikowania kwantowych własności
nanoukładów, poprzez kwantowe własności sterowania. Możliwości realizacji
nieklasycznych sterowań pozostają w ścisłym związku z rozwojem optyki kwantowej i
kwantowej inżynierii. Możliwość wytworzenia nieklasycznych pól elektromagnetycznych
(optycznych bądź mikrofalowych) jest dziś (niemal) łatwa. Oznacza to, że nanoukłady można
poddawać
wpływom
sterowań
o
pożądanych
własnościach.
Na załączonym poglądowym rysunku zaprezentowany został jeden z typowych przykładów
nanourządzenia, które znajdzie się w centrum naszego zainteresowania. Jest to model
maszyny cieplnej zbudowanej na bazie trzech qubitów (układów fizycznych zdolnych do
przechowywania kwantowego bitu informacji) oddziałujących ze sobą oraz z dwoma
termostatami.
Jednym z centralnych problemów współczesnej fizyki jest efektywny opis właściwości
termicznych układów kwantowych poza równowagą termodynamiczną. Naszym zadaniem
jest powiązanie właściwości termicznych związanych z przepływem ciepła pomiędzy
termostatami a kwantowymi własnościami nieklasycznego pola zewnętrznego wytworzonego
przez maser lub laser i służącego jako narzedzie sterujące. Oczekujemy, że w wyniku naszych
badań zidentyfikowane zostaną klasy stanów nieklasycznego pola sterującego prowadzące do
użytecznych zachowań nanoukładu. Spodziewamy się, że nieklasyczne sterowania stanowić
będą nową jakość w teorii nanoukładów pozwalającą na znaczący rozwój szeroko rozumianej
nanofizyki. Wierzymy, że metody i narzędzia optyki, stosowane dziś z powodzeniem w
komunikacji (światłowody wydają się być bodaj najbardziej spektakularnym przykładem)
wzbogacą, użyte na głęboko kwantowym poziomie, nasze rozumienie i umiejętność
wykorzystania nanoukładów, zminiaturyzowanych do granic możliwości.