CC BY
47
УДК 539.2 + 544.7
Квантовая инфраструктура аттосекундных сенсоров и актюаторов неравновесных физических сред интеллектуальных материалов
С.А. Безносюк, О.А. Маслова, М.С. Жуковский
Алтайский государственный университет, Барнаул, 656049, Россия
Идея разработки новыж интеллектуальныж материалов связана с применением аттосекундныж субатомных технологий. Рабочими инструментами, наряду с фемтосекундными оптическими импульсами, создающими одноэлектронные возбуждения среды, станут аттосекундные импульсы жесткого ультрафиолета и мягкого рентгена, генерирующие субатомные спутанные электронные пары. Ферми-газ и бозе-газ квазиэлектронньж возбуждений формируют квантовую инфраструктуру неравновесньж физических сред интеллектуальныж материалов. Квантовые механизмы аттосекундной физики двухэлектроники и фемтосекундной химии одноэлектроники задают квантовые инфраструктуры пространственно-временныж масштабов интеллектуальныж материалов. Первичным является субатомный уровень (1.0 пм - 0.1 нм). Над ним располагается супра-атомный уровень (0.1-10.0 нм) нано-электромеханических систем интерфейсов инфраструктуры сенсоров и актюаторов, управляющих процессами самоорганизации пространственно-временной иерархии диссипативных структур нано-, микро-, мезо- и макроуровней неравновесных физических сред интеллектуальных материалов. Показано, что квантовая наноэлектромеханическая система является попеременно сенсором и актюатором диссипативныж структур с двухтактовым циклом: аттосекундным сенсором спутанныж двухэлектронныж возбуждений и фемтосекундным актюатором электромеханических мод движения в неравновесной физической среде материала. Временной тактовый ритм движения наноэлектромеханических систем сенсоров-актюаторов на три порядка выше, чем у наномолекулярных сенсоров фемтосекундных одноэлектронных возбуждений и у наномолекулярныж машин — актюаторов колебательно-вращательных мод движения неравновесных физических сред материалов.
Ключевые слова: иерархия пространственно-временныж масштабных уровней неравновесныж физических сред материалов, квантовая инфраструктура, субатомная аттосекундная физика, электронные механизмы диссипации энергии, электромеханические актюаторы и сенсоры, интеллектуальные материалы DOI 10.24411/1683-805X-2018-13010
Quantum infrastructure of attosecond sensors and actuators of nonequilibrium
physical media of smart materials
S.A. Beznosyuk, O.A. Maslova, and M.S. Zhukovsky
Altai State University, Barnaul, 656049, Russia
The idea of developing new smart materials is associated with the use of subatomic attosecond technology. The tools will include, along with femtosecond optical pulses that create one-electron excitations in the medium, attosecond deep ultraviolet and soil X-ray pulses that generate entangled subatomic electron pairs. The Fermi gas and Bose gas of quasi-electron excitations form a quantum infrastructure of nonequilibrium physical media of smart materials. The quantum mechanisms of two-electron attosecond physics and one-electron femtosecond chemistry define the quantum infrastructures of space-time scales in smart materials. The primary scale is the subatomic scale (1.0 pm - 0.1 nm). The next one is the supra-atomic scale (0.1-10.0 nm) of nanoelectromechanical systems of sensor and actuator infrastructure interfaces that govern the self-organization of the space-time hierarchy of nano-, micro-, meso- and macroscopic dissipative structures in nonequilibrium physical media of smart materials. It is shown that the quantum nanoelectromechanical system is alternately a sensor and actuator of dissipative structures with two clock cycles: an attosecond sensor of entangled two-electron excitations and a femtosecond actuator of electromechanical modes of motion in a nonequilibrium physical medium of the material. The rhythm of movement of nanoelectromechanical sensor-actuator systems is by three orders of magnitude higher than that of nanomolecular sensors of one-electron femtosecond excitations and nanomolecular actuators of vibrational-rotational modes of motion in nonequilibrium physical media of materials.
Keywords: multiscale space-time hierarchy in nonequilibrium physical media of materials, quantum infrastructure, subatomic attosecond physics, electronic mechanisms of energy dissipation, electromechanical actuators and sensors, smart materials
© Безносюк C.A., Маслова O.A., Жуковский М.С., 2018
1. Введение
В настоящее время существует фундаментальная проблема теоретического описания и компьютерного моделирования самоорганизации многоуровневой масштабной иерархии в физических средах [1]. Неравновесные физические среды интеллектуальных материалов наделены внутренней инфраструктурой бинарных функциональных элементов: сенсоров и актюато-ров [2]. Сенсоры преобразуют трансформацию неравновесной физической среды в электрические сигналы, актюаторы преобразуют сигналы в трансформацию неравновесной физической среды материалов. Степени самоорганизации в пространстве и во времени срабатывания многоуровневой иерархии инфраструктуры функциональных элементов, чувствительность сенсоров и производительность актюаторов задают степени интеллектуальности материала. В настоящее время высшая степень интеллектуальности материалов полагается достигнутой у биоорганизмов.
Их интеллектуальные аналоги (биомиметики) пока уступают живым биоорганизмам [3]. Степень миниатюризации функциональных элементов инфраструктуры биомиметиков достигла масштабного уровня нанометров в пространстве и фемтосекунд длительности во времени протекания квантовых процессов в нано-молекулярных системах. Это уровень молекулярных ак-тюаторов («наномолекулярных машин») и молекулярных сенсоров («наномолекулярных датчиков»). Сложные алгоритмы функционирования «интегральных схем» наномолекулярных машин и датчиков принципиально отличаются от вышестоящих уровней микро-, мезо- и макромасштабов материалов. Доказательства этого представляют явления «жизни» биологических организмов, наномолекулярный уровень сенсоров и ак-тюаторов которых определяет специфику адаптивности и изменчивости их клеточных мезоскопических форм. Клеточная самоорганизации биоорганизмов на мезоско-пическом масштабном уровне является наивысшим эталоном для интеллектуальных материалов.
Совершенствование свойств интеллектуальных материалов продолжается. В настоящее время в фундаментальных исследованиях миниатюризации их функциональных элементов произошел прорыв в новую квантовую область субатомных пространственных масштабов и аттосекундных масштабов длительности квантовых процессов. Области масштабов субатомной аттосекундной физики [4] и супра-атомных аттосекунд-ных нанотехнологий [5, 6] содержат в себе новую базу функциональных элементов интеллектуальных материалов. Квантовые инфраструктуры этих функциональных элементов на порядки чувствительнее и производительнее их фемтохимических атомно-молекулярных аналогов биохимических наномашин. Это позволит создавать квантовые инфраструктуры сенсоров и актюато-
ров материалов с рекордными характеристиками интеллекта [7].
В связи со всем вышеотмеченным в настоящее время возникла новая фундаментальная проблема теоретического описания и компьютерного моделирования самоорганизации многоуровневой пространственно-временной иерархии масштабов от аттосекундной суб-атомики до макроуровня в неравновесных физических средах интеллектуальных материалов. В рамках известной концепции термополевой динамики конденсированного состояния [8] был развит новый подход [9] к решению этой проблемы. Он становится актуальным в связи с развитием новых концепций мезомеханики материалов [10, 11].
С точки зрения математического моделирования физические среды интеллектуальных наноматериалов должны обладать внутренней инфраструктурой взаимно дополнительных бинарных функциональных элементов: сенсоров и актюаторов. В области нанотехнологий ключевая роль здесь принадлежит конверторам или устройствам, которые преобразуют один вид энергии в другой. Согласно модели, сенсоры преобразуют тепло, работу сил механических напряжений, электрической и магнитной поляризации материала в энергию сигналов. Актюаторы, наоборот, преобразуют исходные сигналы в энергию механических, электрических, магнитных трансформаций, тепловых потоков и химических превращений в физической среде материалов. Математическая модель должна описывать самосборки и самоорганизацию внутренней инфраструктуры функциональных элементов в областях пространства-времени масштабных уровней субатомной аттосекундной физики [12, 13] и супра-атомных аттосекундных нанотехнологий [14-16].
В настоящее время в ряде ведущих научных лабораторий США, Японии, Китая, Южной Кореи, ЕС ведутся фундаментальные исследования и инженерные разработки в области smart нанотехнологий нового поколения. Они исходят из идеи использования в реальном времени систем квантовых наноботов для сенсорного измерения и актюаторного контроля и управления процессами трансформации интеллектуальных материалов. Возникли два направления исследований: разработка и применение фотохимических молекулярных наномашин [17-21] и аттофизических наноэлектромеха-нических машин [22-27].
В работах фемтохимического направления рассматриваются бионические наноботы. Они уже применяются в инжиниринге новых интеллектуальных материалов. По направлению разработки и внедрению атомно-моле-кулярных машин в США была заявлена в 2013 г. программа развития синтетической биологии на химических чипах. В ней поставлена задача разработать для нанометрового масштаба специальные методы вычис-
лительной химии и программированной сборки химических молекулярных чипов — гибридов молекулярных и одноэлектронных устройств бионики с функциями биоорганизмов. В этих работах отмечается, что в основу создания и контроля бионических наноботов можно положить клеточные процессы самосборки и самоорганизации биохимических систем. В них типичны механизмы квантовой конверсии электронно-колебательно-вращательных возбуждений биомолекул или нанокристал-лов в механическую работу по перемещению бионических наноботов и формированию супрамолекулярных структур типа: «ключ - замок», «хозяин - гость». Нано-молекулярные актюаторы преобразования электрической энергии в механическую играют важную роль, например, в микроскопических насосах устройств мезо-механики. Наряду с достоинствами бионических нано-ботов, такими как скорость и селективность их фермен-тативно-каталитических манипуляций с атомами, у них имеются также существенные недостатки: высокая степень повреждаемости, слабая управляемость, малая мощность и производительность механической работы. Недостатки касаются молекулярных моторов и транспортных систем актюаторов материалов.
Направление разработки аттосекундных наноэлект-ромеханических систем (НЭМС) ботов сенсорного измерения, актюаторного контроля и управления процессами многоуровневой трансформации интеллектуальных материалов рассмотрено в данной статье.
2. Основы импульсной аттосекундной одно- и двухэлектроники материалов
Одним из основных направлений разработок в атто-физике является создание генераторов сверхкоротких электромагнитных у-импульсов аттосекундной длительности. Импульсы по времени жизни сжаты до длительности периода электромагнитных колебаний жесткого ультрафиолета и мягкого рентгена. Для описания их распространения требуются новые теоретические подходы нелинейной оптики предельно коротких импульсов. Актуальность импульсной аттофизики обусловлена возможностью использования предельно коротких импульсов в информационно-оптических системах, т.к. с уменьшением длительности импульсов увеличивается пропускная способность устройств. Кроме того, сверхкороткие у-импульсы находят приложения в спектроскопии, работах по управляемому лазерному термоядерному синтезу, микрохирургии, в методах формирования изображений.
Одноэлектронный механизм импульсной аттосе-кундной генерации в субатомной области атомно-моле-кулярных наночастиц возбужденной электронно-дырочной пары (е-е+)* типа экситона Френкеля был рассмотрен в [28]. Одноэлектронный механизм (1) представляет линейный отклик электронной компоненты материала
105
на сверхкороткий электромагнитный у-импульс:
У(е-) ^ (е-е+)*. (1)
Особый интерес представляет электронный механизм нелинейного отклика на у-импульс в неравновесных физических средах. Он инициирует действие атто-секундных сенсоров и актюаторов на субатомном и суп-ра-атомном уровнях квантовой инфраструктуры нано-электромеханических систем интерфейсов интеллектуальных материалов. Нелинейно диссипативный отклик материала на аттосекундные у-импульсы жесткого ультрафиолета или мягкого рентгена состоит в генерации квантовых наноэлектромеханических систем интерфейсов, поглощающих и диссипирующих энергию у-им-пульсов в результате действия квантовых механизмов аттосекундной двухэлектроники. Решение принципиально новых задач квантовой аттосекундной двухэлект-роники требует разработки теоретической концепции и компьютерного моделирования аттосекундной физики неравновесных физических сред материалов [9].
Аттосекундная физика субатомной двухэлектроники исследует результаты спонтанного нарушения динамической симметрии вакуума электронных возбуждений в субатомных областях конденсированного состояния материалов под действием предельно сжатого аттосе-кундного электромагнитного у-импульса. Согласно теории термополевой динамики конденсированного состояния, за аттосекундные времена жизни сверхкороткий у-импульс способен индуцировать в электромагнитном калибровочном %-поле электронного вакуума материала топологическую особенность — электростатическую моду (х-струну). %-струны когерентно спутывают электронные пары, формируя бозонную подсистему возбужденных двухэлектронных квазичастиц субатомного уровня по нелинейному двухэлектронному механизму спонтанного нарушения динамической симметрии: (е-) у(е-) ^ (е-) х(е-) ^ (е- ~ х ~ е-)*. (2)
Как было показано в работе [9], аттосекундная импульсная генерация наноэлектромеханических систем интерфейсов происходит на следующем супра-атомном масштабном наноуровне материала, начиная с возбуждения в субатомных областях спутанных двухэлектрон-ных квазичастиц (е- ~ х ~ е-)*. Энергия возбуждения спутанных двухэлектронных квазичастиц (е- ~ х ~ е-)* накапливается в наноэлектромеханических системах 2D-интерфейсов, находящихся в состоянии квантовых суперконденсаторов спутанных двухэлектронных разделенных зарядов. Толщина границы 2D-интерфейса задается субатомным размером Ree спутанности электронных пар. Ячейки, образованные субатомными по толщине границами 2D-интерфейсов, формируют матрицу инфраструктуры микро-, мезо- и макроуровней интеллектуальных материалов на основе функциональных элементов аттосекундных наноэлектромеханичес-ких систем.
Рис. 1. Иерархия пространственных масштабных уровней неравновесной физической среды интеллектуальных материалов на основе электромеханических интерфейсов. 1 — супра-атомный уровень, 2 — субатомный уровень, ЭМС — электромеханическая система
Базовый аттосекундный субатомный уровень запутанных бозонов (е- ~ х ~ е-)*, супра-атомный уровень наноэлектромеханических 2Э-интерфейсов и последующие верхние масштабные уровни неравновесных физических сред интеллектуальных материалов представлены на рис. 1. Иерархическое масштабирование этих уровней интеллектуальных материалов степенями постоянной тонкой структуры а = е2/(сЙ) ~ 1/137 было обосновано в работе [9].
3. Квантовые автоматы-боты наноэлектромехани-ческой системы интерфейсов
Набор квантовых автоматов-ботов наноэлектромеха-нических систем интерфейсов образует инфраструктуру сенсоров и актюаторов интеллектуального материала. Рассмотрим одно- и двухэлектронные квантовые механизмы их функционирования.
Наноэлектромеханические системы интерфейсов в результате кулоновской блокады субатомными электронными парами одноэлектронных возбуждений создают топологические кинки распределений плотности ферми-газа электронов. Скачок электрического потенциала на замкнутой кинк-границе запирает N электронную и В ядерную подсистемы в ограниченной 2Э-ин-терфейсом У-области компактного квантового автомата-бота. Это показано схематически на рис. 2 и 3. Электронная компонента квантовой наноэлектромеханичес-кой системы бота заперта субатомными по толщине интерфейсами кулоновской блокады. Основное состояние
конфайнмента N электронной компоненты бота Ф 0( N) подробно рассмотрено в работе [8]. Основная одно-электронная конфигурация состояния Ф 0( N) с N = 8 показано на рис. 2.
Низшее по энергии двухэлектронное возбужденное состояние Ф1( N) спутанных катион-анионных N =7, 9) электронных конфигураций представлено слева и справа от основной электронной конфигурации Ф 0 (N) на рис. 3. Видно, что в катионе ^ = 7) с верхней заполненной молекулярной орбитали (ВЗМО) ушел в физическую среду на уровень Ферми 8Р один электрон, образовав экситон, а в анионе N = 9) из физической
eF НПМО eF
ВЗМО
i i
- -
Физическая среда 8 (o°o ) Физическая среда
НЭМС бот
Рис. 2. Основная одноэлектронная конфигурация состояния Ф 0(N) наноэлектромеханической системы бота с N = 8
Рис. 3. Электронные конфигурации в области уровня Ферми 8Р для ^электронного ^ = 8) запутанного состояния, запертого наноэлектромеханической системой интерфейса нано-бота в физической среде
среды с уровня Ферми 8р другой электрон перешел на нижнюю пустую молекулярную орбиталь (НПМО), образовав второй экситон. Из рис. 3 следует, что минимальная двухэлектронная энергия 58 возбуждения спутанных экситонов Ф1( N) равна ширине запрещенной зоны 8g внутри наноэлектромеханической системы бота в области уровня Ферми 8 р физической среды. Величина щели 8g связана с эффектом размерного квантования одноэлектронных возбуждений в результате их конфайнмента наноэлектромеханическими системами интерфейсов на компактном носителе нанобота V.
Квантовый наноэлектромеханический автомат-бот имеет подвижную механическую часть (массивную систему В ядер) и подвижный привод (систему запертых интерфейсами N электронов). Квантовые состояния ядерной (механической) и электронной части (привода) могут быть как запутанными, так и незапутанными между собой [14, 15]. Квантовая наноэлектромеханическая система автомата в незапутанном квантовом состоянии описывается волновыми функциями вида
То(в | N) = Хо(В)Фо(N), (3)
а в запутанном квантовом состоянии нефакторизуемы-ми волновыми функциями вида
Т(В | N) = Xо(В)Фо(N) + XДВ)Ф1(N). (4)
Запутывающее ядра и электроны бота состояние Х1(В)Ф1(N) в формуле (4) включает в себя возмущение Х1(В) ядерной подсистемы, вызванное возбуждением электронного состояния Ф1( N) спутанных экситонов. Как было показано в работе [6], переход из незапутанного состояния (3) в запутанное состояние (4) происходит спонтанно в результате редукции под влиянием наноэлектромеханической системы интерфейса. Время жизни т запутанного состояния Т (В | N) движения ядер и электронов нанобота ограничивается термополевыми флуктуациями интерфейса. В результате термополевой
флуктуации интерфейса состояния бота Т(В | N) редуцирует во флуктуационное состояние Т(В | N), в котором ядерная и электронная подсистемы имеют собственные возмущенные волновые функции X (В) и Ф (N) соответственно:
Т(В | N) = [Хо (В) + X[ (В)][Фо (N) + Ф, (N)] =
= X (В )Ф (N ). (5)
Спонтанная дезактивация квантового состояния запутанных экситонов Ф1(N) происходит за счет эмиссии запутанной пары импульсов электромагнитного поля длительностью 5т с энергией 58. Из рис. 3 видно, что один импульс генерируется переходом электрона с уровня Ферми 8 р физической среды в «дырку» на верхней заполненной молекулярной орбитали бота, а второй — переходом другого электрона из нижней пустой молекулярной орбитали бота на уровень Ферми 8 р физической среды через наноэлектромеханическую систему интерфейса.
При спонтанной дезактивации спутанных экситонов в возбужденном с энергией 58 > 8g квантовом состоянии Ф1 (N) происходит переход за время 5т электронов бота в основное состояние Ф0(N), а всего нанобота — в новое, по сравнению с (3), незапутанное состояние: То(В| N) = X(В)Фо(N). (6)
4. Актюаторы и сенсоры наноэлектромеханической системы интерфейсов
Цикл движения бота из начального незапутанного состояния (3) в конечное незапутанное состояние (6) происходит в два этапа. Первый этап начинается с редукции (3) ^ (4) и он имеет время жизни т стадии актю-атора (4). Второй этап начинается с редукции (4) ^ (5) и длится в течение времени эмиссии 5т электромагнитного импульса — сенсорного сигнала на стадии перехода (5) ^ (6). Следующий цикл движения нанобота начинается с нового запутывания В ядер и N электронов на У-носителе при редукции состояния (6). Процесс движения квантового наноэлектромеханического бота имеет циклический двухтактовый дискретный характер: актюатор - сенсор.
За время т стадии актюатора происходит трансформация волновой функция системы ядер — механической части квантового автомата-бота от X0(В) до X (В) = X0( В) + X1( В). Наноэлектромеханическая система бота на стадии актюатора производит механическую работу трансформации среды. Знак совершаемой работы зависит от термополевой флуктуации границ интерфейса бота и сил взаимодействия между ядрами в спутанном состоянии с электронным приводом бота.
На стадии сенсора за время 5т трансформируется волновая функция электронного привода бота от Ф0(N) + Ф1(N) до Ф0(N). Наноэлектромеханическая система бота на стадии сенсора эмитирует запутанную
пару импульсов электромагнитного поля как сигнал нелинейного отклика на механическую работу, совершенную им на предыдущей стадии актюатора. Генерируя запутанную пару электронов следующего супра-атом-ного размера (0.1-10.0 нм), сигнал двух спутанных электромагнитных импульсов создает в окружающей нанобот неравновесной физической среде материала электромеханический 2Б-интерфейс вышележащего микроскопического пространственно-временного масштабного уровня (10 нм - 1 мкм). Этот уровень обозначен как MicroEMS на рис. 1, ему соответствует порядковый номер 3 в иерархии уровней.
В [9] дан общий анализ генерации иерархии масштабных уровней электромеханических интерфейсов конденсированного состояния. Нами показано, что сгенерированные в супра-атомном масштабе квантовой на-ноэлектромеханической системы ботов вторичные пары электронов эмитируют из объемов V первичных нано-электромеханических систем ботов через интерфейс во внешнюю область неравновесной физической среды конденсированного состояния. Они создают в ней новые интерфейсы микроэлектромеханических систем ботов. Следующий в иерархии масштабный уровень мезо-электромеханических систем (MesoEMS) генерируется, в свою очередь, микроэлектромеханическими системами интерфейсов третичными когерентно спутанными электронными парами. Точно также можно построить последующие иерархические пространственно-временные масштабные уровни электромеханических интерфейсов материалов, связанных степенями масштабного а-преобразования.
Эстафетный режим смены функций актюатора и сенсора, управляемый термополевыми флуктуациями граничных интерфейсов, задает высокую изменчивость, энергетический и информационный ресурс движения электромеханической наночастицы. Это обуславливает высокую адаптивность и интеллектуальность отклика электромеханической наночастицы на внешние воздействия в процессе релаксации неравновесной физической среды.
Оценим времена жизни стадий актюатора т и сенсора 8т наноэлектромеханического бота. Это дает возможность определить диапазон временной шкалы процессов, идущих на супра-атомном пространственном масштабном уровне NanoEMS.
За время жизни т происходит когерентное запутывание типа (4), а затем происходит сбой — редукция квантового автомата нанобота из состояния (4) в состояние (5). Нами были ранее получены формулы для расчета длительности т для случая квантовой релаксации на-ноэлектромеханических систем, работа ядерной подсистемы конвертировалась в энергию спутанных экси-тонов [7]. В этом случае стадия актюатора является стадией внутренней конверсии механической энергии ядер в электрическую энергию спутанных экситонов при со-
хранении внутренней полной энергии наноэлектроме-ханической системы бота во времени. Время жизни т стадии внутренней ядерно-экситонной конверсии дается формулой
т = {[3В кТ] / [grad Е0(Я) • М-1 • grad Е0(Я)]}1/2. (7) В (7), кроме температуры среды Т, входят параметры механической части нанобота: число ядер В и тензор обратной массы ядер М-1, а также градиентные параметры поверхности потенциальной энергии gradЕ0(R) в окрестности конфигурационной точки Я ядер. Время жизни т нелинейно зависит от температуры среды Т и от нуклеарности В нанобота. Зависимость от распределения масс ядер и градиентов потенциальной энергии сложная. Приближенно длительность времени конверсии т растет пропорционально квадратному корню из суммарной массы ядер и обратно пропорционально градиенту энергетической поверхности Е0(Я). Откуда следует, что в сильнонеравновесных состояниях при высоких градиентах потенциальной энергии ядер времена т внутренней конверсии самые маленькие. По мере релаксационного приближения к равновесным состояниям длительность т актов внутренней конверсии растет. Для температуры Т ~ 300 К максимальная длительность внутренней экситонной конверсии порядка 10 фс. Типичное время внутренней ядерно-экситонной конверсии нанобота лежит в области 0.1-1.0 фс. Это аттосе-кундные (субфемтосекундные) процессы.
Время жизни сенсорной стадии 8т определяется как время распада и диссипации квантового возбуждения спутанной пары экситонов с энергией 88 > 8^
8т = й/ (288) < й/ (288). (8)
Например, в результате квантово-размерного эффекта конфайнмента ферми-газа в наноботе ширина щели составит 8в ~ 5 эВ; мы получим оценку времени экситонной диссипации: 8т = 60 ас — это аттосекундный процесс.
В ходе диссипации энергии возбужденного нанобота в окружающую неравновесную среду возникает цепочечный процесс релаксации с чередованием двух элементарных стадий: актюатора и сенсора (рис. 4).
Стадия актюатора—это процесс когерентного внутренней конверсии энергии возбуждения между двумя внутренними компонентами релаксирующей наночастицы: электронно-ядерной подсистемой и ее спутанной экситонной парой. На этой стадии идет квантово-за-путанное когерентное трансформирование состояний ядерно-электронной и электрон-дырочной подсистем. Стадия сенсора — это процесс обмена нанобота с окружающей матрицей материала энергией спутанной экси-тонной пары.
Переход во времени между элементарными кинетическими стадиями происходит за счет сбоя и восстановления когерентной запутанности квантовой динамики нанобота. Сбой — это момент разрушения кванто-
т ~ 10 фс! !_
8т ~ 0.1 фс t
Рис. 4. Цепочка стадий квантовой релаксации наноэлектроме-ханического бота: внутренней конверсии энергии актюатора т и диссипации энергии сенсора 8т
вой запутанности движения механической подсистемы ядер и электронного привода из-за нарастания стохастических термополевых взаимодействий экситонной пары с наноэлектромеханической системой интерфейса материала. Времена жизни т для температур материалов от 100 до 1000 К и наноботов с размером до 10 нм составляют порядка нескольких фемтосекунд. Восстановление запутанности после ее сбоя может произойти за время 8т прохождения светового сигнала по пространственному носителю компактного нанобота. Для наноботов размером до 10 нм 8т составляет десятки атто-секунд.
Процесс рассеяния энергии нанобота идет за счет испускания спутанных пар электронов в матрицу материала, а также спутанных электромагнитных импульсов, показанных на рис. 4.
Математические методы описания квантовой наноэлектромеханической системы кинетики с помощью компьютерного моделирования изложены в [7]. Описание стадий наноэлектромеханической системы кинетики проводится с помощью квантово-полевых операторов сдвига состояний во времени: унитарно-эквивалентного, неунитарно-эквивалентного и унитарно-неэквивалентного характера [28]. Последние два механизма нелинейные и необратимые. Они формируют сложную мультикинетическую квантовую эволюцию нанобота с нелинейными бифуркациями и аттракторами, в которых наноботы находятся в квазистационарных неравновесных состояниях, флуктуируя как по энергии, так и по форме [5].
5. Заключение
Современные разработки квантовых наноэлектро-механических ботов дополняют подходы и методы создания атомно-молекулярных наномашин. Наномолеку-лярные актюаторы и сенсоры создаются с помощью
фемтохимических процессов с применением пикосе-кундного инфракрасного и фемтосекундного оптического импульсных излучений. Для генерации в интеллектуальном материале активных квантовых электромеханических интерфейсов и их функциональных элементов наноэлектромеханических систем ботов субатомные технологии должны основываться на аттосе-кундном импульсном воздействии жесткого ультрафиолета или мягкого рентгена на материал. Развитие направления квантовых наноэлектромеханических систем интерфейсов и ботов интеллектуальных материалов сдерживается отсутствием квантовых генераторов сверхсжатых у-импульсов излучения в диапазоне жесткого ультрафиолета и мягкого рентгена. Но эта технологическая задача будет решена с использованием импульсных лазеров на свободных электронах.
Так как для акцепторных и актюаторных функций наноботов кроме пространственных размеров существенную роль играет длительность во времени выполнения операций, то существуют также принципиальные различия между свойствами атомно-молекулярных и электромеханических наноботов. Атомно-молекуляр-ные структуры химии по временным характеристикам процессов в области малых квантовых систем существенно уступают электромеханическим структурам в физике конденсированного состояния. Химическая атом-но-молекулярная структура материала является устойчивой лишь для фемтосекундных импульсных воздействий на квантовую электродинамическую систему ядер и электронов. Наноэлектромеханические системы интерфейсов конденсированного состояния сохраняют свою устойчивость и при сверхкоротких аттосекундных импульсных воздействиях, когда адиабатическая атом-но-молекулярная структура материала утрачивает физический смысл. Поэтому «нехимические» квантовые механизмы движения наноэлектромеханических систем интерфейсов и ботов станут основными при разработке аттосекундных нанотехнологий создания работающих в экстремальных условиях высокоэнергетических процессов интеллектуальных материалов. Эти материалы наделены приспособленным к устойчивой работе в экстремальных условиях «панцирем» электромеханических интерфейсов. Быстрое интеллектуальное реагирование «панциря» регулируется инфраструктурой атто-секундных наноэлектромеханических ботов с актюатор-ными и сенсорными свойствами, формируемых замкнутыми 2D-интерфейсами супра-атомного масштабного уровня (0.1-10.0 нм).
В ближайшее время будут разработаны компьютерные имитаторы принципиально новых субатомных ат-тосекундных технологий создания инновационных спроектированных материалов с интеллектуальной инфраструктурой элементов наноэлектромеханических систем интерфейсов.
Развитие теоретических основ принципиально новых аттосекундных наноэлектромеханических систем технологий субатомной одно- и двухэлектроники создаст фундаментальный задел для разработки новых спроектированных материалов с интеллектуальной многоуровневой саморегулирующейся инфраструктурой наноэлектромеханических интерфейсов. В таких спроектированных материалах скорость накопления и передачи электромеханической энергии и информации будет на 2-3 порядка выше, а их тепловые потери в квантовых наноэлектромеханических системах инфраструктур на 2-3 порядка ниже, чем в фемтохимических инфраструктурах квантовых точек твердотельной электроники и молекулярной биологии. Такие спроектированные материалы обеспечат адаптивность и надежность конструкций в экстремальных условиях высоких импульсных электромеханических напряжений, высоких и низких температур, агрессивных сред, радиации, для нужд оборонной, космической техники и экологически чистой энергетики.
Литература
1. Steinhauser M.O. Computational Multiscale Modeling of Fluids and Solids: Theory and Applications. - Berlin: Springer-Verlag, 2017. -419 p.
2. Shahinpoor M, Schneider H.-J. Intelligent Materials. - Cambridge, UK: Thomas Graham House, 2008. - 532 p.
3. Эббот Д., Дэвис П., Пати А. Квантовые аспекты функционирования биологических структур. - Долгопрудный: Интеллект, 2014. - 320 с.
4. Ranitovic P., Hogle C.W., Rivrnre P., Palacios A., Tong X.M., Toshi-ma N. et al. Attosecond VUV coherent control of molecular dynamics // Proc. Nat. Acad. Sci. USA. - 2014. - V. 111. - P. 912-917.
5. Beznosyuk S.A., Zhukovsky M.S., Maslova O.A., Valeryeva E.V., Terentyeva Yu.V. Computer simulation of attosecond nanotechnologies based on quantum NEMS in materials // Int. J. Nanotech. - 2017. -V. 14. - No. 7/8. - P. 590-603.
6. Beznosyuk S.A., Maslova O.A., Zhukovsky M.S. et al. Mathematical modeling of the infrastructure of attosecond actuators and femtosecond sensors of nonequilibrium physical media in smart materials // AIP Conf. Proc. - 2017. - V. 1909. - P. 020014. - doi 10.1063/1.5013695.
7. Жуковский М.С., Безносюк С.А., Потекаев А.И., Старостен-ков М.Д. Теоретические основы компьютерного наноинжинирин-га биомиметических наносистем. - Томск: Научно-техническая литература, 2011. - 236 с.
8. Умэдзава X., Мацумото X., Татики М. Термополевая динамика и конденсированные состояния. - М.: Физматлит, 1985. - 509 с.
9. Безносюк С.А., Жуковский М.С. Многомасштабные пространственно-временные диссипативные структуры: двухэлектронные механизмы формирования неравновесных электромеханических интерфейсов материалов // Физ. мезомех. - 2017. - Т. 20. - № 1. -С. 106-115.
10. Панин В.Е. Физическая мезомеханика материалов / Под ред. С.Г. Псахье. - Томск: Издательский дом ТГУ, 2015. - Т. 2. - 464 с.
11. Панин В.Е., Егорушкин В.Е., Панин А.В., Чернявский А.Г. Пластическая дисторсия — фундаментальный механизм в нелинейной мезомеханике пластической деформации и разрушения твердых тел // Физ. мезомех. - 2016. - Т. 19. - № 1. - С. 31-46.
12. Corkum P.B., Krausz F. Attosecond science // Nature Phys. - 2007. -V. 3. - P. 381-387.
13. Gallmann L., Cirelli C., Keller U. Attosecond science: Recent highlights and future trends // Ann. Rev. Phys. Chem. - 2012. - V. 63. -P. 447-469.
14. Beznosyuk S.A., Zhukovskii M.S., Potekaev A.I. The theory of motion of quantum electromechanical plasmoid nanobots in a condensedstate medium // Russ. Phys. J. - 2013. - V. 56. - No. 5. - P. 546-556.
15. Beznosyuk S.A., Zhukovsky M.S., Zhukovsky T.M. Theory and computer simulation of quantum NEMS energy storage in materials // Int. J. Nanosci. - 2015. - V. 14. - No. 1-2. - P. 1460023.
16. Beznosyuk S.A., Zhukovsky M.S., Maslova O.A. Attosecond nano-technology: NEMS of energy storage and nanostructural transformations in materials // AIP Conf. Proc. - 2015. - V. 1683. - P. 020024-1020024-5.
17. Lund K., Manzo A.J., Dabby N., Michelotti N., Johnson-Buck A., Nangreave J., Taylor S., Pei R., Stojanovic M.N., Walter N.G., Win-free E., Yan H. Molecular robots guided by prescriptive landscapes // Nature. - 2010. - V. 465. - P. 206-210.
18. LernerE.J. Biomimetic nanotechnology // Industr. Physicist. - 2010. -No. 4. - P. 16-19.
19. Horejs C, GollnerH., Pum D., Sleytr U.B., PeterlikH., Jungbauer A., Tscheliessnig R. Atomistic structure of monomolecular surface layer self-assemblies: Toward functionalized nanostructures // ACS Nano. -2011. - No. 3. - P. 2288-2297.
20. Horejs C, Mitra M.K., Pum D., Sleytr U.B., Muthukumar M. Monte Carlo study of the molecular mechanisms of surface-layer protein self-assembly // J. Chem. Phys. - 2011. - No. 12. - P. 125103.
21. Hess H. Toward devices powered by biomolecular motors // Science. -2006. - V. 312. - P. 779.
22. Beznosyuk S.A. Modern quantum theory and computer simulation in nanotechnologies: Quantum topology approaches to kinematical and dynamical structures of self-assembling processes // Mater. Sci. Eng. C. - 2002. - V. 19/1. - P. 369-372.
23. Blencowe M. Quantum electromechanical systems // Phys. Rep. -2004. - V. 395. - P. 159-222.
24. Pisharody S.N., Jones R.R. Probing two-electron dynamics of an atom // Science. - 2004. - V. 303. - P. 813-815.
25. Morishita T., Watanabe S., Lin C.D. Attosecond light pulses for probing two-electron dynamics of helium in the time domain // Phys. Rev. Lett. - 2007. - V. 98. - P. 083003.
26. Ott C., Kaldun A., Argenti L., Raith P., Mayer K., Laux M., Zhang Y., Blattermann A., Hagstotz S., Ding T., Heck R., Madronero J., Martin F., Pfeifer T. Reconstruction and control of a time-dependent two-electron wave packet // Nature. - 2014. - V. 516. - P. 374-378.
27. Desai T., Bhatia S. BioMEMS and Biomedical Nanotechnology Bio-MEMS and Biomedical Nanotechnology III: Therapeutic Micro/ Nano-technology. - Boston: Springer, 2007. - 1856 p.
28. Жуковский М.С., Безносюк С.А. Би-ионные и би-радикальные релятивистские субфемтосекундные квантовые флуктуации неравновесных наносистем // Ползуновский вестник. - 2009. - Т.3.-С. 19-23.
Поступила в редакцию 09.01.2018 г.
Сведения об авторах
Безносюк Сергей Александрович, д.ф.-м.н., проф., зав. каф. АГУ, [email protected] Маслова Ольга Андреевна, к.ф.-м.н., доц. АГУ, [email protected] Жуковский Марк Сергеевич, к.х.н., доц. АГУ, [email protected]
