Техника - молодёжи 2009-02, страница 10

Техника и технологии

В 2009 N 02 ТМ

На рис. 4 показано, как таблетка из обычного магнитного материала левитирует над кусочком ВТСП материала, охлаждаемого жидким азотом, благодаря балансу между силой тяжести и силой отталкивания магнита от сверх

проводника. На этом физическом эффекте основаны поезда на магнитной подушке. Из-за отсутствия контакта колёс с рельсами исчезает связанное с этим трение качения, в результате поезд развивает скорости более 500 км/ч (ограничивается в основном сопротивлением воздуха). Различные конструкции подобных поездов испы-тываются в Японии, Китае, Германии, Англии, США.

В заставке статьи показан поезд под названием JR-Maglev (сокращение от слов «магнитная левитация»). Поезд курсирует в Японии в испытательном режиме с 2003 г., перевёз уже 100 тыс. пассажиров. В днище вагонов установлены охлаждаемые жидким азотом ВТС11 магниты, благодаря которым они поднимаются над поверхностью. Поезд приводится в движение линейным электромотором и способен развивать скорость до 581 км/ч. Строительство таких поездов довольно дорого, но эксплуатация дёшева и удобна, и ещё - хорошо совместима с городскими требованиями. Экономически на расстояниях до 1000-1500 км он более выгоден, чем самолёт, к тому же менее шумен и не загрязняет среду. Очень вероятно, что к 2020 г. часть недлинных, но напряжённых желез

нодорожных линий (например, сообщения из города с аэропортами), а также часть коротких авиалиний и автобусных маршрутов будет заменена скоростными поездами на магнитной подушке.

Нанофизика и наноэлектроника

«Мозг» сегодняшнего компьютера -микропроцессор - содержит десятки и сотни миллионов транзисторов. Мало кого устроит увеличение производительности компьютера за счёт увеличения его размеров. Поэтому конструкторы вынуждены всё время уменьшать размеры элементарных компонентов на чипе микропроцессора. Сегодня эти размеры составляют малые доли микрона. Что же будет далее, и бесконечен ли этот процесс?

В современном процессоре фирмы «Интел» минимальный размер элемента составляет 45 нм; компания «Chartered» в 2009 г. планирует запустить технологические процессы с 32- и 28-нм элементами. Ясно, что в этой линии развития микропроцессорной техники предел задан «размером атома» кремния (0,2 нм) и длиной волны электрона в полупроводнике (3-10 нм). Кроме того, работа традиционного транзистора основана на движении электронов как носителей заряда, и поэтому, помимо размера, существуют ограничения по выделяемому джоулевому теплу и по скорости переноса заряда.

На помощь в преодолении этих препятствий приходит квантовая механика электронов и фотонов. Помимо заряда и массы, электроны имеют спин -собственный момент количества движения микрочастицы, имеющий квантовую природу и не связанный с движением частицы как целого. Спин не «прикреплён» к массе; поэтому, если бы им удалось управлять, то «спиновый» компьютер был бы намного быстрее и потреблял бы меньше мощности.

Учёные пытаются решить эту проблему, комбинируя ферромагнетики и полупроводники в одном транзисторе, и учатся управлять переносом спинов так же просто, как и зарядов. Возможно, через десяток лет им удастся преодолеть основные трудности и создать работоспособный «спиновый» транзистор как основу микропроцессоров.

Другая надежда - использование волновой природы электрона, особенно в комбинации с квантами света -фотонами. В типичных полупроводниках волновые свойства электрона становятся значимыми на расстояниях порядка 5-10 нм, которые, как мы видим, уже не за горами.

И здесь очень важным оказалось то, что с помощью света можно управлять движением электронов с разным спином. В одном из устройств поляризованный лазерный свет заставляет электроны со спином, направленным вверх, двигаться направо, а со спином, направленным вниз, - налево. Поскольку одинаковое число электронов движется в противоположных направлениях, то полное переносимое количество заряда и суммарный электрический ток равны нулю. То есть создаётся ток спинов без движения зарядов. Такой эффект получен впервые: в устройствах спинтроники, исследовавшихся до сих пор, перенос спина всегда сопровождался током электронов.

Эти первые результаты только показывают пути решения проблемы. Но они позволяют надеяться на то, что управляемый светом «спиновый» транзистор будет создан через 3-5 лет.

Ещё один путь построения принципиально новых, «неэлектронных» вычислительных устройств - использование фотонов вместо электронов. Фотоннка сейчас развивается столь

Рис. 5

бурно, что в ближайшие 10 лет физики могут научиться обращаться с частицами света так же хорошо, как с электронами: полностью останавливать их, поштучно контролировать перемещение с места на место.

На рис. 5 изображён кристалл кремния, в котором сделаны цепочки микро

8