Новосибирск 3 °C

Прогресс и... еще одна революция

02.03.2007 00:00:00



Ныне молодые люди не по наитию или случайным встречам определяют свое будущее, а по четко определенным целям. И, как говорится, слава Богу. В моем поколении царствовали его величество случай или стечение неотвратимых обстоятельств.

Прагматизм и чувства
Конечно, при выборе профессии и сегодня едва ли стоит абсолютизировать или идеализировать прагматизм молодых. Чувства вполне могут одолеть и трезвый анализ. Да еще в юные годы... Однако в заполненном молодежью зале Института физики полупроводников СО РАН прагматизм явно побеждал. О нем свидетельствовали множество вопросов к профессорам, которые рассказывали о нанотехнологиях, и удивлявшая меня усидчивость студентов и инженеров, пришедших узнать, что нового в физике. Никто не ушел и ни на одном лице не заметил отстраненной скуки. Аудитория точно знала, зачем пришла. А пришла она за знаниями. Интерес к ним был куда важнее, чем чувства. Тем более, что многие студенты были впервые набраны в вуз по специальности «наноэлектроника». В науке это одно из самых, скажем так, модных и востребованных направлений.

Кроме того, и ученые расстарались, видя интерес молодежи. Вот они с чувством рассказывали о своих исследованиях. Это было заметно по характеру изложения, по репликам и шуткам. Да и сами новые технологии будили воображение и заставляли думать о будущем, как о времени неожиданных и никак не предполагавшихся ранее открытий.

— Все великие открытия, — говорил член-корреспондент РАН Игорь Георгиевич Неизвестный, подбадривая аудиторию, — были сделаны в возрасте, в котором вы сейчас и находитесь, то есть до тридцати — тридцати пяти лет. Так что у вас есть определенный шанс для нового прорыва в науке. В развитии нашего института молодежь — главная надежда и ориентир. Для нас очень важно знать, каковы ваши интересы.

Для начала скажу вам, что наноэлектроника вводит ученых в совершенно новый физический мир. И в нем надо подходить ко всем объектам и усилиям, которые мы предпринимаем, совсем иначе. Как только вы переходите в наноразмер — от физики классической к квантовой, — то это уже другой мир. Недавно для него придумали хорошее название — контринтуитивная наука. Иначе говоря, вы не можете себе представить образно, что провозглашает, декларирует это направление. А декларирует оно весьма странные вещи.

В нашем институте впервые в стране была сделана установка квантовой криптографии. Она помогла выделить отдельный фотон, затем ему задавали либо поляризацию, либо фазу, а на втором конце оптоволокна, к примеру, или воздушного промежутка расшифровали полученную информацию. Дуализм электрона в эксперименте проявился наглядно. Одну частицу — фотон — выделяем, а затем она претерпевает преобразования, которые можно было сделать с потоком фотонов, то есть со светом. И вот когда мы на кончиках пальцев почувствовали то, что поначалу не могли объяснить и понять, то мы поняли, что это чрезвычайно интересно и увлекательно.

...Но дальше физику излагать в газете буду урывками. Чтобы не множить ошибки и не утомлять читателей. А привел отрывок (хотя и не дословно) из выступления Игоря Георгиевича только для того, чтобы хоть как-то показать, в какие тонкие материи забирается сейчас наука. Скажу лишь, что происходящие ныне в наноэлектронике открытия на грани чуда. Во весь голос уже говорят о новой революции в науке и технике. Хотя диоды и транзисторы — основа всей электроники — уже прижились и для понимания доступны. Так что нельзя умолчать о том, что все нынешнее вышло из фундаментальных исследований в области физики полупроводников, диэлектриков, твердого тела и т. д. Без них не было бы открывшихся сейчас возможностей наноэлектроники.

В десять тысяч раз меньше
— Взгляните, — рассказывал дальше Неизвестный, — на частицу молекулы ДНК. Ее размеры — десять нанометров. Представьте: толщина вашего волоса — это десять микрон. А размер частицы молекулы ДНК в десять тысяч раз меньше. И на этом «материале» ничтожного размера у вас есть возможность «организовать» электроды... Если короче сказать, то вы внутри невидимого вами объекта создаете прибор. А он в десять тысяч раз меньше толщины человеческого волоса. Таковы возможности наноэлектроники. Они позволяют создавать необходимые процессоры, которые включают в себя... миллиард транзисторов всего на одном кристаллике! Причем именно организованные, работающие, соединенные друг с другом.

— Спрашивается, а зачем наука все время уменьшает размеры, для чего ей такие приборы?

Расстояние между одним электродом и другим — это дистанция, которую проходит электрон. Чем меньше расстояние, тем быстрее он пробежит весь путь. А значит, быстрее пройдет операция, которая задана, предназначена ему. Это запоминание, «плюс» и «минус» и т. п. Следовательно, вычислительная техника начинает работать в намного более быстром темпе.

Словом, уменьшение размера ведет к увеличению быстродействия. Вот что такое в популярном и даже в какой-то степени примитивном изложении означает миниатюризация. Но именно к этому стремятся практически все нанотехнологии. Впрочем, у них немало и других задач.

И размеры между электродами, и толщина нанослоев очень маленькие. Эти тонкие слои, на которых формируются приборы, получают разными методами. Один из самых популярных — молекулярно-лучевой эпитаксии. При использовании его контролируется структура, толщина и состав получаемого во время процесса тонкого слоя. Это вам не простое напыление... Причем интенсивность электронного луча при эпитаксии меняется по мере роста слоя.

Создаваемые в институте приборы проверяются с точностью до ангстрем, до одного атома. А приборы в институте создаются для самых разных целей. Это «home work», домашняя работа... руками, но очень тонкая и сложная. Впрочем, науке и практике хорошо когда-то служили и простейшие приборы. Один из них, напомнил Неизвестный, обнаружил сигнал с потерпевшей крушение экспедиции Нобеля, на кристаллике этого же прибора приняли сигнал и с тонущего «Челюскина». Так что предыстория у современной физики полупроводников и наноэлектроники большая... Среди тех, кто закладывал основы этого важнейшего направления, были и лауреаты Нобелевских премий, а один даже дважды. А наш Жорес Алферов, который недавно стал почетным председателем ученого совета Новосибирского института физики полупроводников, тоже в числе основателей. Как, впрочем, и академик Иоффе и многие другие иностранные и отечественные ученые.

Особо чистые
Даже всячески стараясь уйти в популярном рассказе от специальной терминологии, я обречен оставить в тексте слова «полупроводниковые гетеропереходы». Их приблизительный «перевод» на простой русский — это когда контактируют два полупроводника с различной шириной запрещенной зоны. Понятно? Едва ли... Но оставим так, как есть, уточнив, что гетеро означает — разный. С этими переходами в физике многое связано. Например, создание лазеров и силовых устройств, а институт, о котором идет речь, ими тоже занимается. А рассказывал о них профессор и доктор наук Владимир Павлович Попов. И не менее интересно. Хотя бы потому, что для создания силовых устройств требуются особо чистые полупроводниковые соединения или сами полупроводники. А раз особо чистые, то тут без тонкой и изобретательной работы не обойдешься.

К примеру, мы уже упоминали о чипе, в который «влез» миллиард транзисторов. Но Попов детализировал: этот миллиард транзисторов сделан с точностью до одного процента. Предположим, что в каждом из них сто атомов. Но если будет сто один атом, то это уже очень плохо. Это вам не третий лишний... Вся система может быть с этим лишним порочной. Тем не менее именно такие точные устройства сейчас создаются, демонстрируя высочайший уровень технологии. Который, кстати сказать, ведет не к дороговизне, а к дешевизне. Стоимость одного нанотранзистора очень быстро приближается к стоимости одного... нанодоллара. Даже представить нельзя, что за цена такая и что на нанодоллар можно купить. Между тем мы покупаем такой чип по цене в тысячу раз больше. Такова плата за чужую интеллектуальную собственность. Те, кто создал подобные чипы, зарабатывают очень хорошо.

— Приятно видеть молодые лица, — сказал Попов, чуть отвлекшись от рассказа. — Считаю, что этот способ зарабатывать деньги для молодежи наилучший. Да и вкладывать деньги в работу, связанную с нанотехнологиями, тоже перспективно. Мне довелось быть в Ирландии. Там на фабриках, выпускающих такую продукцию, работает одна молодежь. Причем из самых разных стран Европы, Америки и Азии. Они прошли строгий отбор и получили возможность создавать в течение десяти лет приборы для силовой электроники и нанотехнологий. Больше того, после десяти лет они могут уже и не работать. Достаток позволяет. Но работают они в «отведенные» им десять лет с колоссальным напряжением. Ответственность, которая на них падает, огромная. Очень велика стоимость их ошибки.

Само- восстановление
Молодежь слушала ученого внимательно. Было видно, в том числе и по вопросам, что она тоже готова взять на себя большую ответственность.

Еще приводилось одно любопытное сравнение. Стоимость одного галлона бензина в США — 2,2 доллара. Если перейти на рубли, то это примерно пятнадцать с половиной рублей. Ясно, что на этом много не заработаешь. А вот на электронике можно. На той же силовой электронике. Она сейчас достигла больших высот. Например, может контролировать саму себя. Несколько лет в скоростных европейских поездах нельзя было пользоваться мобильными телефонами. Их «выбивала» при переключениях электроэнергия мегаваттных мощностей. А когда поезд высоко поднимался в горы, в Швейцарии в частности, силовые приборы выходили из строя, когда пролетали через разрядные камеры космические частицы. А от них, казалось, избавиться невозможно. Оказалось, что можно, если часть приборов выключать с помощью датчиков тока. Прибор сам по себе восстанавливался после разряда и был опять готов к работе. Теперь эти системы повышенной живучести широко применяются.

Электронные песчинки
Идеология по созданию самодиагностирования аппаратуры нашла сейчас развитие в том, что появились реальные проекты действующих сетевых систем сбора информации. По форме это буквально песчинка размером в один миллиметр. В песчинке находится преобразователь солнечного излучения для работы электронной части схемы, а также запоминающее устройство, передающее устройство и несколько (!) каналов сенсоров. И вот такие песчинки, разбросанные на большой территории, совершенно спокойно собирают информацию о давлении, температуре, влажности, ветрах и передают собранные сведения на станции обработки информации. Думается, что для нашей огромной страны похожая система имеет особое значение. Разбросал «песочек» — и принимай сообщения. И полагаю, что не только о ветре и давлении. Во всяком случае, такие соображения приходят в голову... Я даже поинтересовался на эту тему, но услышал, что у разведки наверняка есть и не менее действенные способы сбора информации. Например, спутники или агентурная сеть. А вот при соблюдении экологических требований электронный песочек вполне может пригодиться.

Электроника не стоит на месте. Все ее звенья в стадии дальнейшего развития. Например, молекулярная электроника. Даже комбинация различных молекул позволяет чипам эффективно увеличить плотность элементов примерно в десять раз. Это уже работа с нанометровыми размерами, что очень трудно реализовать на той базе, с которой мы привыкли работать. А на новых принципах нанотехнологии реализуется легко. В институте физики полупроводников работает Юрий Иванович Красников. Он человек в годах, но едва ли уступает молодежи по оригинальности своих идей и предложений. Особенно по экономии энергии. Он, например, минусы при преобразовании энергии предложил превратить в плюсы. Творческий человек всегда ищет свой, оригинальный, выход из трудного положения.

Вспомнил еще, что в этом году запускается линия по производству чипов памяти. Реально массовое производство современной электроники на достаточно приличном уровне будет налажено в России в ближайшее время. Например, в Зеленограде.

— Так что, молодые люди, — закончил свое выступление профессор Попов, — дерзайте. Вас ждет интереснейшее будущее. У вас все получится.

(Хотя и сейчас многое вполне получается. Вот пример. Ни одного компьютера, ни одного процессора, которые стоят в системах оборонной техники России, не сделано за рубежом. Все свое, отечественное. И никогда не будет сделано за рубежом. США лет пятнадцать назад с ужасом обнаружили, что 70 процентов электронных компонентов, используемых в боевой авиации американцев, сделано в Японии. — Р. Н.)

Фантазии и реальность — это близко
Молодежь дружно аплодировала профессору Попову. Но не в последний раз. Заслужило аплодисменты и выступление профессора Виктора Яковлевича Принца.

— Мы живем, — сказал он, — в замечательные времена, когда научные фантазии превращаются в реальность. Наверное, как и вы, в детстве я читал книги Жюля Верна, Уэллса и других фантастов. О полетах на Луну, человеке-невидимке, о приборах, по которым люди начнут разговаривать друг с другом, находясь на разных континентах, сенсорах, которые будут чувствовать... одну молекулу. Да еще лучше, чем это чувствует нос собаки. Прошло время, и сегодня все эти научные фантазии сбылись, состоялись, вошли в повседневную жизнь.

Заверяю вас, что фантазии сегодняшние тоже будут реализованы, хотя пока они многим кажутся невероятными. Если, конечно, они не противоречат физическим законам. Попытаюсь на эту тему кое-что рассказать. Когда мы начинали работать, то даже не могли представить себе, что интересующие нас объекты могут быть размером с молекулу или атом. Да еще самой различной формы. Например, нанотрубки, которые мы сейчас делаем, имеют столь малый диаметр, что, если взять хоть сто миллионов трубочек, их диаметр будет тоньше, чем самый тонкий волос человека.

И сейчас действительно есть сенсор, который реагирует на одну молекулу, чувствует ее. В нашей лаборатории работают молодые люди. Они выполнили под моим руководством работу, которая их уже не удивляет. Хотя, по сути, совсем еще недавно ее бы причислили к фантастике.

Когда я был в вашем возрасте, я прочел замечательную книжку Ричарда Кеймана «Характер физических законов». Этот великий физик сорок лет назад прочитал лекцию, вызвавшую совершенно неоднозначную реакцию. Многие считали, что он просто фантаст и выдумщик. А он утверждал, что скоро наступит такое время, когда можно будет на маленьких объектах порядка миллиметра записывать целые библиотеки или содержание Большой британской энциклопедии. Сегодня мы уже к этому подошли. И довольно быстрыми темпами. Таковы нынешние возможности твердотельной наноэлектроники.

Почему твердотельная? Сейчас объясню... Дело в том, что человеческий мозг быстро перерабатывает информацию, потому что он хорошо функционально организован. Но вот процесс переноса информации очень медленный. Информация переносится ионами. А в твердых телах все-таки электронами, у которых в тысячи раз меньше масса. А иногда у них буквально нулевая масса.

На одной шайбе триллион транзисторов
Профессор Принц имел в виду работу, связанную как раз с твердотельной наноэлектроникой. Сейчас в Америке функционируют фабрики по производству интегральных схем. На одной шайбе ничтожного размера здесь делается одновременно... триллион транзисторов. И удивительно, что все они работают. Если бы они не работали, то на контроль потратили бы больше денег, чем на производство компьютеров.

Растущий интерес в науке и на производстве вызывает и наномеханика. Делают резонаторы (это, в сущности, линейки, и если их загнуть, они начинают колебаться), размер которых тоже меньше диаметра волоса, но с уникальной добротностью, качеством. Они скоро будут стоять на сотовых телефонах, заменяя в них целые блоки. Нанотехнология, утверждал Принц, вызовет к жизни принципиально новые материалы. В том числе материалы-невидимки. Если ими закрыться, то человека не будет видно. По крайней мере, уже изготовлен такой материал для длинных волн СВЧ. А в ближайшее время появятся материалы для оптического диапазона.

На очереди новые квантовые приборы. Их размеры сравнимы с длиной волны электрона. Принц посоветовал молодым присмотреться в институте к установкам молекулярно-лучевой эпитаксии. В них можно вырастить сверхтонкие слои солей металлов, толщина которых — атом или молекула. Выращиваются они с автоматной точностью. И выращиваются в вакууме. Это очень чистая технология. Причем выращиваются слои практически из любых веществ. Но возможности полученных структур ограничены — они не плоские и неподвижные. В институте удалось освободить их от связи с подложкой и сформировать из них самые различные наноструктуры. Обнаружив при этом, что атомы, которые растят на кристаллической подложке, наследуют решетку самой подложки. Одни слои сжимаются, другие протягиваются. Некоторые пленочки скрутились в трубки микронных размеров. Тогда исследователям сказали: «Все, это конец, меньших размеров вы не получите». Но физики института стали все равно уменьшать размеры, не послушав предсказателей. И оказались правы.

Полученные слои очень прецизионных, точных размеров имеют большое будущее. В институте могут формировать из них нанотрубки с диаметром до ста микрон с точно заданными размерами и расположенными в том месте подложки, где исследователям нужно. Есть среди этих трубок такие, на которых намотано сорок слоев. Есть среди них и с диаметром два нанометра и еще меньше. Эти трубки можно заращивать, перекладывать, переносить, они не ломаются. Тысячи различных объектов и с самыми разными формами можно делать из этих трубок. Принц уже продемонстрировал волокно, сделанное из твердого кристалла, которое невозможно поломать. Сделана уже спираль, имеющая размер семь нанометров. В природных условиях такие маленькие спирали сделать нельзя. А если делать из такой спирали электроды, то они будут сжиматься и растягиваться. И «дышать», как живые. Все это понадобится для создания самых современных проборов в наноэлектронике и наномеханике. И для тех же материалов-невидимок. Достигнутое учеными позволяет создавать вещества, которые по-новому взаимодействуют со светом. Не как кристаллы, положим. У них появляются другие свойства. Вещества можно делать и магнитными, и немагнитными, например.

На грани волшебства
Подробнее обо всех переменах в нанотехнологиях писать не рискую, потому что День науки воспринимал на слух. Но в этот раз моя задача — дать самое общее впечатление о том, что узнала молодежь о достижениях академической науки. Возможно, я в чем-то и ошибся, что-то не совсем точно изложил. На этот раз прошу читателей извинить меня. Тороплюсь, так как День науки уже заметно отдалился. Но одно совершенно ясно: нас в ближайшее время ждут такие перемены, которые сегодня кажутся еще волшебством. Но они неизбежны и уже стоят на пороге завтрашнего дня. Наука снова продемонстрирует в реальной жизни и свои возможности, и свою мощь.

Вам было интересно?
Подпишитесь на наш канал в Яндекс. Дзен. Все самые интересные новости отобраны там.
Подписаться на Дзен

Новости

Больше новостей

Новости районных СМИ

Новости районов

Больше новостей

Новости партнеров

Больше новостей

Самое читаемое: