Джон Гриббин – В поисках кота Шредингера. Квантовая физика и реальность (страница 29)
Если поместить вместе три полупроводниковых части, сложив их, как бутерброд (p-n-p или n-p-n), в результате получится транзистор (каждая из трех частей транзистора обычно подключена к электрическому току, поэтому их можно идентифицировать по трем паучьим лапам, торчащим из металлической или пластиковой оболочки, в которую заключен сам транзистор). Если правильно легировать материалы, возможно создать ситуацию, когда слабый поток электронов через n-p-контакт создает гораздо больший поток через другой контакт в бутерброде, то есть транзистор ведет себя как усилитель. Как знают любители электроники, диод и усилитель вместе составляют основу для конструирования аудиосистемы. Однако сегодня даже транзисторы являются весьма устарелыми устройствами, и вы не сможете найти никаких коробок с тремя ножками в своем радио, если, конечно, это не старый транзисторный приемник.
До 1950-х годов основным развлечением было громоздкое «радио» - устройство, которое хоть и называлось беспроводным, содержало множество проводов и светящихся вакуумных трубок, делавших то же самое, что сегодня делают полупроводники. К концу 1950-х началась транзисторная революция, и вместо больших светящихся электронных ламп стали использовать платы, на которых печатали проводящую схему и к которым припаивали транзисторы. Оставался один шаг до создания интегральной схемы, где бы все проводящие линии, полупроводниковые усилители, диоды и прочее располагались вместе, просто соединяясь друг с другом, образуя сердце радио, кассетного плеера или чего угодно. Одновременно с этим революция происходила и в компьютерной индустрии.
Как и старое радио, первые компьютеры были очень громоздкими. В них было множество электронных ламп и километры проводов. Даже пятьдесят лет назад, в первую полупроводниковую революцию, компьютер с такой же производительностью, что и современные, и размером с печатную машинку, потребовал бы целую комнату, чтобы разместить свой «мозг», и еще больше места для охлаждающих установок. Революция, которая превратила такую машину в планшет стоимостью несколько сотен долларов, помещающийся в руке, - это та же самая революция, которая превратила настольный приемник дедушки в радио размером с пачку сигарет и благоприятствовала переходу от транзистора к чипу.
Биологический мозг и электронный компьютер связаны с процессом переключения. Ваш мозг состоит примерно из 10 000 миллионов переключателей в виде нейронов, образуемых нервными клетками. Переключатели компьютера состоят из диодов и транзисторов. В 1950 году компьютер с тем же числом переключателей, что содержится в мозгу человека, имел бы размер с остров Манхэттен. Сегодня посредством соединения микрочипов можно разместить столько же переключателей в объеме, равном объему человеческого мозга, однако подключение такого компьютера представляет серьезную проблему, а потому он до сих пор не создан. Однако этот пример показывает, насколько мал чип даже в сравнении с транзистором.
Полупроводники, используемые в стандартных современных микрочипах, сделаны на основе силиката - в принципе из самого обыкновенного песка. При правильной стимуляции силикат пропускает электрический ток, а без стимуляции - не пропускает. Длинные кристаллы силиката по 10 см каждый разрезаются на тонкие (с лезвие бритвы) слои и далее на сотни маленьких прямоугольных чипов - каждый меньше спичечной головки, а затем на каждый чип, подобно утонченной греческой выпечке, слой за слоем наносится электрическая схема - эквивалент транзисторов, диодов, интегральных схем и всего остального. По сути один чип является целым компьютером, и микропроцессор занимается лишь получением информации и ее записью на чип. Чипы настолько дешевы в производстве (после того как были вложены значительные средства в разработку схемы и создание необходимых станков), что их можно производить сотнями, затем тестировать, а те, которые не работают, просто выбрасывать. Для создания
Таким образом, существует еще несколько повседневных вещей, которые связаны с миром кванта. Рецепты лишь из одной главы квантовой кулинарной книги дали нам цифровые часы, домашние компьютеры, электронную начинку, которая запускает спутник на орбиту (а иногда и не дает ему полететь вне зависимости от людей-операторов), мобильное телевидение, сотовые телефоны, стереосистемы и оглушительное Hi-Fi, а также лучшие слуховые аппараты, чтобы потом справляться с глухотой. Планшетные компьютеры стали реальностью, и вполне возможно, что не за горами появление устройств с искусственным интеллектом. Компьютеры, рассчитывающие приземление на Марс и исследующие Солнечную систему и ее пределы, являются первыми братьями чипов, которые управляют аркадами, и все они основаны на странном поведении электронов в соответствии с основными квантовыми законами. Но потенциал физики твердого тела не ограничивается даже могучими микропроцессорами.
Сверхпроводники
Как и полупроводники, сверхпроводники имеют логически верное название. Сверхпроводник - это вещество, которое проводит электричество без какого-либо видимого сопротивления. Это самое близкое к вечному двигателю из того, что мы, вероятно, когда-либо сможем обнаружить, - это не совсем создание нечто из ничего, но редкий пример в физике, когда ты получаешь за свои деньги все и тебя при этом не обманывают. Сверхпроводимость можно объяснить процессом связывания пары электронов друг с другом и их совместного движения. Хотя каждый электрон имеет полуцелый спин и, соответственно, подчиняется статистике Ферми - Дирака и принципу исключения, пара электронов при некоторых условиях может вести себя как одна частица с целым спином. Такая частица не запрещена принципом исключения и удовлетворяет той же статистике Бозе
Эйнштейна, которая квантово-механическим образом описывает поведение фотонов.
Голландский физик Камерлинг-Оннес открыл сверхпроводимость в 1911 году, когда обнаружил, что ртуть полностью теряет электрическое сопротивление при охлаждении ниже 4,2 градуса в единицах абсолютной температурной шкалы (4,2 градуса Кельвина примерно равны -269 градусам Цельсия). В 1913 году за свой труд по физике низких температур Оннес получил Нобелевскую премию, однако она была вручена за другое достижение - получение жидкого гелия, а сверхпроводимость не могла найти полноценного объяснения до 1957 года, когда Джон Бардин, Леон Купер и Роберт Шриффер выдвинули теорию, которая в 1972 году
принесла им Нобелевскую премию 41. Это объяснение зависит от того, как спаренные электроны взаимодействуют с атомами в кристаллической решетке. Один электрон взаимодействует с кристаллом, в результате чего изменяется взаимодействие кристалла с другим электроном пары. Таким образом, несмотря на естественную склонность отталкивать друг друга, пара электронов образует слабую связь, достаточную для того, чтобы перейти от статистики Ферми - Дирака к статистике Бозе - Эйнштейна. Не все вещества могут быть сверхпроводниками, и даже у тех, которые имеют это свойство, мельчайшее колебание атомов в кристаллической решетке разрушает электронные пары, в связи с чем сверхпроводимость наблюдается только при очень низких температурах - в диапазоне от 1 до 10 градусов Кельвина. Некоторые вещества становятся сверхпроводниками ниже определенной критической температуры, которая различна для разных веществ, но всегда одинакова для одного и того же вещества. Выше этой температуры электронные пары разрушаются и вещество обладает нормальными электрическими свойствами.
Эта теория подтверждается тем фактом, что материалы, являющиеся хорошими проводниками при комнатной температуре, не становятся лучшими сверхпроводниками. Обычный «нормальный» проводник позволяет электронам двигаться свободно именно потому, что они не сильно взаимодействуют с атомами кристаллической решетки, а без взаимодействия электронов с атомами невозможно образование электронных пар, необходимое для появления низкотемпературной сверхпроводимости.
Очень жаль, что сверхпроводники должны быть настолько холодны для появления этого феномена, ведь легко представить потенциальные удобства в использовании сверхпроводников. Самый очевидный пример - это передача электричества по проводам без потери энергии. У сверхпроводников есть и другие любопытные свойства. В нормально проводящий металл может проникать магнитное поле, однако сверхпроводник образует на своей поверхности электрические токи, которые отталкивают и вытесняют магнитное поле. Таким образом получается идеальный экран от нежелательного воздействия магнитных полей, однако он непрактичен ввиду необходимости в охлаждении до нескольких градусов Кельвина.
Бардин уже получил известность в 1948 году за свою работу с Уильямом Шокли и Уолтером Браттейном над изобретением, принесшим всем троим Нобелевскую премию 1956 года. Этим маленьким изобретением был транзистор, и Бардин стал первым человеком, получившим Нобелевскую премию по физике дважды.
11
:':о ::
\
Сверхпроводник