От ядерной физики до квантовых вычислений

Ядерно-физические методы в физике твердого тела. Две важнейших и наиболее интенсивно развивавшихся области физики — физика ядра и физика твердого тела достаточно тесно пересекаются не только в области теории (приложение метода температурных функций Грина и других методов квантовой теории поля в физике конденсированного состояния, но и в области эксперимента: нейтронография и нейтронная оптика, отклонение и фокусировка пучков частиц кристаллами, каналирование, структурное излучение Черенкова-Вавилова, активационный анализ и гамма-активационный анализ. Основоположником использования ядерно-физических методов в физике твердого тела являлся выдающийся физик Нобелевский лауреат Энрико Ферми.

Энрико Ферми (29.09.1901 — 30.11.1054) выдающийся итало-американский физик. Родился в Риме. Он был младшим из трех детей железнодорожного служащего Альберте Ферми и урожденной Иды де Гаттис, учительницы. Еще в детстве Ферми обнаружил большие способности к математике и физике. Его выдающиеся познания в этих науках, приобретенные в основном в результате самообразования, позволили ему получить в 1918 году стипендию и поступить в Высшую нормальную школу при Пизанском университете. Уже через четыре года, в 1922 году, Ферми получил докторскую степень по физике с отличием за работу по экспериментальному исследованию рентгеновских лучей.

По возвращении в Рим Ферми получил от итальянского правительства стипендию, позволившую ему продолжать изучение современной физики в Германии, у Макса Борна, возглавлявшего в то время отделение теоретической физики Геттингенского университета, и в Голландии, у Пауля Эренфеста в Лейденском университете. Эренфест поддержал юного Ферми.

В 1924 году Ферми приступил к чтению лекций по математической физике и механике во Флорентийском университете. В первые годы его исследования затрагивали проблемы общей теории относительности Альберта Эйнштейна, статистической механики, квантовой теории и теории электронов в твердом теле. В 1926 году им была разработана новая разновидность статистической механики, подсказанная принципами запрета Вольфганга Паули. Она позволяла успешно описывать поведение электронов, а позднее была применена к протонам и нейтронам. Статистика Ферми позволила лучше понять электропроводность металлов и привела к построению более эффективной модели атома.

Когда в Римском университете в 1927 году была учреждена первая кафедра теоретической физики, Ферми, успевший обрести международный авторитет, был избран ее главой. В Риме Ферми сплотил вокруг себя несколько выдающихся ученых и основал первую в Италии школу современной физики. В международных научных кругах ее стали называть группой Ферми. Через два года Ферми был назначен Бенито Муссолини на почетную должность члена вновь созданной Королевской академии Италии.

В начале 30-х годов Ферми перенес свое внимание с внешних электронов атома на атомное ядро. В 1933 году он предложил теорию бета-распада, позволившую объяснить, каким образом ядро спонтанно испускает электроны и роль нейтрино-частиц, лишенных электрического заряда и не поддававшихся тогда экспериментальному обнаружению. Существование таких частиц было постулировано Паули, а название придумано Ф. (Нейтрино было экспериментально обнаружено в 1956 году). Теория бета-распада Ферми включала новый тип сил, получивших название слабого взаимодействия. Такие силы действуют между нейтронами и протонами в ядре и обусловливают бета-распад, По интенсивности слабое взаимодействие значительно уступает сильному, удерживающему вместе нуклоны — частицы, из которых состоит ядро. Статья Ферми о бета-распаде была отвергнута из-за своей новизны английским журналом «Нейче», но опубликована в итальянском и в немецком журналах. Опираясь на высказанные Ферми идеи, Хидеки Юкава предсказал в 1935 году существование новой элементарной частицы, известной ныне под названием пи-мезона, или пиона.

В 20-х годах было принято считать, что атом содержит два типа заряженных частиц: отрицательные электроны, которые обращаются вокруг ядра из положительных протонов. Физиков интересовало, может ли ядро содержать частицу, лишенную электрического заряда. Эксперименты по обнаружению электронейтральной частицы достигла кульминации в 1932 году, когда Джеймс Чедвик открыл нейтрон, в котором физики, в особенности Вернер Гейзенберг и Д. Д. Иваненко, почти сразу признали ядерного партнера протона. Ферми по достоинству оценил значение нейтрона как мощного средства инициирования ядерных реакций. Экспериментаторы пытались бомбардировать атомы заряженными частицами, но для преодоления электрического отталкивания заряженные частицы необходимо разгонять на мощных и дорогих ускорителях. Налетающие электроны отталкиваются атомными электронами, а протоны и альфа-частицы — ядром так, как отталкиваются одноименные электрические заряды. Поскольку нейтрон не имеет электрического заряда, необходимость в ускорителях отпадает.

Впоследствии Э. Ферми обнаружил явление замедления нейтронов и построил его теорию (Нобелевская премия по физике 1938 г.), а также открыл в 1936 году селективное поглощение нейтронов. Эти экспериментальные работы Э. Ферми с сотрудниками (Э.Амальди, Б. Понтекорво, Ф. Разетти, Э. Сегре) положили начало нейтронной физики. Одновременно Э. Ферми была высказана также идея о возникновении в результате облучения урана нейтронами новых заурановых элементов.

Значительный прогресс был достигнут в 1934 году, когда Фредерик Жолио и Ирен Жолио-Кюри открыли искусственную радиоактивность. Бомбардируя ядра бора и алюминия альфа-частицами, они впервые создали новые радиоактивные изотопы известных элементов. Продолжая начатую этими исследованиями работу, Ферми и его сотрудники в Риме принялись бомбардировать нейтронами каждый элемент периодической таблицы в надежде получить новые радиоактивные изотопы с помощью присоединения нейтронов к ядрам. Первого успеха удалось достичь при бомбардировке фтора. Методически бомбардируя все более тяжелые элементы, Ферми и его группа получили сотни новых радиоактивных изотопов. При бомбардировке урана — 92-го элемента, самого тяжелого из встречающихся в природе, они получили сложную смесь изотопов. Химический анализ не обнаружил в ней ни изотопов урана, ни изотопов соседнего элемента (более того, результаты анализа исключали присутствие всех элементов с номерами от 86 до 91). Возникло подозрение, что экспериментаторам впервые удалось получить новый искусственный элемент с атомным номером 93. К неудовольствию Ферми, директор лаборатории Орсо Корбино, не дожидаясь контрольных анализов, объявил об успешном синтезе 93-го элемента. В действительности же Ферми не удалось его получить. Но он, сам того не зная, вызвал деление урана, расщепив тяжелое ядро на два или большее число осколков и других фрагментов. Деление урана было открыто в декабре 1938 года Отто Ганом и Фритцем Штрассманом, однако они также не поняли существа явления. Правильную его интерпретацию, как деления, дала в январе 1939 года Лизе Мейтнер, бывшая сотрудница Отто Гана.

В 1935 году, через несколько месяцев после начала экспериментов, Ферми и его сотрудники обнаружили, что если нейтроны замедлить, пропуская через воду и парафин, то они более эффективно инициируют ядерные реакции. Замедление нейтронов обусловлено их столкновениями с ядрами водорода (протонами), в больших количествах содержащихся в этих средах. При столкновениях нейтронов и протонов значительная часть энергии нейтронов передается протону, так как массы этих частиц почти равны. Тем временем в Италии все большую силу набирала фашистская диктатура Муссолини. В 1935 году итальянская агрессия против Эфиопии привела к экономическим санкциям со стороны членов Лиги Наций, а в 1936 году Италия заключила союз с нацистской Германией. Группа Ферми в Римском университете начала распадаться. После принятия итальянским правительством в сентябре 1938 года антисемитских гражданских законов Ферми решил эмигрировать в США. По некоторым сведениям (Прим. Н.Д.) вопрос о месте эмиграции Ферми обсуждал с Бруно Понтекорво. И Ферми жребий (брошенная монета) указал на США, Понтекорво на СССР. Приняв приглашение Колумбийского университета занять должность профессора физики, Ферми информировал итальянские власти о том, что он уезжает в Америку на полгода.

В 1938 году Ферми была присуждена Нобелевская премия по физике. В решении Нобелевского комитета говорилось, что премия присуждена ему «за доказательства существования новых радиоактивных элементов, полученных при облучении нейтронами, и связанное с этим открытие ядерных реакций, вызываемых медленными нейтронами». «Наряду с выдающимися открытиями Ферми всеобщее признание получили его искусство экспериментатора, поразительная изобретательность и интуиция… позволившая пролить новый свет на структуру ядра и открыть новые горизонты для будущего развития атомных исследований», — заявил, представляя лауреата, Ханс Плейель из Шведской королевской академии наук.

Во время церемонии вручения премии, состоявшейся в декабре 1938 года в Стокгольме, Ферми обменялся рукопожатием с королем Швеции, вместо того чтобы приветствовать того фашистским салютом, за что подвергся нападкам в итальянской печати. Сразу же после торжеств Ферми отправился за океан. По прибытии в Соединенные Штаты, Ферми, как и всем эмигрантам того времени, пришлось пройти тест на проверку умственных способностей. Нобелевского лауреата попросили сложить 15 и 27 и разделить 29 на 2.

Вскоре после того, как семейство Ферми высадилось в Нью-Йорке, в США из Копенгагена прибыл Нильс Бор, чтобы провести несколько месяцев в принстонском Институте фундаментальных исследований. Бор сообщил об открытии Ганом, Майтнер и Штрассманом расщепления урана при бомбардировке его нейтронами. Многие физики начали обсуждать возможность цепной реакции. Если всякий раз, когда нейтрон расщепляет атом урана, испускались новые нейтроны, то они могли бы, сталкиваясь с другими атомами урана, порождать новые нейтроны и тем самым вызвать незатухающую цепную реакцию. Так как при каждом делении урана высвобождается большое количество энергии, цепная реакция могла бы сопровождаться колоссальным ее выделением. Если бы удалось «взнуздать» цепную реакцию, то уран стал бы взрывчатым веществом неслыханной силы, с целью осуществить цепную реакцию Ферми приступил к планированию экспериментов, которые позволили бы определить, возможна ли такая реакция и управляема ли она.

Первыми оценили опасность получения атомной бомбы нацистской Германией европейские ученые эмигранты, однако их обращения к правительственным чиновникам понимания не встречали. Так 16 марта 1938 года Директор научно-технического управления ВМС США адмирал С. С. Хупер получил письмо профессора Дж. Пеграма с просьбой встретиться с Нобелевским лауреатом Энрико Ферми по вопросам создания ядерного оружия. Хотя Хупер согласился встретиться с Ферми, однако убедить его в важности ядерных исследований не удалось, встреча оказалась безрезультатной. Тогда Ферми и Сциллард для давления на правительство США решили использовать авторитет физика № 1 Альберта Эйнштейна. 2 августа 1939 года Лео Сциллард приехал к Эйнштейну и попросил его подписать письмо на имя президента Ф. Д. Рузвельта. Аргументы Сцилларда о серьезности положения произвели на Эйнштейна надлежащее впечатление, и он подписал письмо. Однако передать его президенту удалось лишь 11 октября 1939 года.

На переговорах с Управлением военно-морского флота в 1939 году Ферми впервые упомянул о возможности создания атомного оружия на основе цепной реакции с мощным выделением энергии. Он получил небольшое федеральное финансирование для продолжения своих исследований. В ходе работы Ферми и, бывший его студент, Эмилио Сегре установили возможность использования в качестве взрывчатки для атомной бомбы тогда еще не открытого элемента плутония. Хотя плутоний, элемент с порядковым номером 94, еще не был известен, оба ученых были убеждены в том, что изотоп плутония с массовым числом 239 (239Pu) должен расщепляться и может быть получен в урановом реакторе при захвате нейтрона ураном-238.

В 1942 году, когда в США был создан Манхэттенский проект для работ по созданию атомной бомбы, ответственность за исследование цепной реакции и получение плутония была возложена на Ферми, имевшего с юридической точки зрения статус «иностранца — подданного враждебной державы». На следующий год исследования были перенесены из Колумбийского в Чикагский университет, в котором Ферми как председатель подсекции теоретических аспектов Уранового комитета руководил созданием первого в мире ядерного реактора, который строился на площадке для игры в сквош под трибунами университетского стадиона Стэгг-Филд.

Воздвигаемый реактор на техническом жаргоне называли «кучей», так как он был сложен из брусков графита (чистого углерода), которые должны были сдерживать скорость цепной реакции (замедлять нейтроны). Уран и оксид урана размещались между графитовыми брусками. 2 декабря 1942 года кадмиевые регулирующие стержни, поглощающие нейтроны, были медленно выдвинуты, чтобы запустить первую в мире самоподдерживающуюся цепную реакцию. «Было ясно, — писал впоследствии Джон Кокрофт, — что Ферми открыл дверь в атомный век». Несколько позднее Ферми был назначен руководителем отдела современной физики в новой лаборатории, созданной под руководством Роберта Оппенгеймера для создания атомной бомбы в строго засекреченном местечке Лос-Аламосе (штат Нью-Мексико). Ферми и его семья стали гражданами Соединенных Штатов в июле 1944 г., а в следующем месяце они переехали в Лос-Аламос. Ферми был свидетелем первого взрыва атомной бомбы 16 июля 1945 года близ Аламогордо (штат Нью-Мексико). В августе 1945 года атомные бомбы были сброшены на японские города Хиросима и Нагасаки.

В конце войны Ферми вернулся в Чикагский университет, чтобы занять пост профессора физики и стать сотрудником вновь созданного при Чикагском университете Института ядерных исследований. Ферми был великолепным педагогом и славился как непревзойденный лектор. Среди его аспирантов можно назвать Марри Гелл-Манна, Янг Чжэньнина, Ли Цзун-дао и Оуэна Чемберлена. После завершения в 1945 году в Чикаго строительства циклотрона (ускорителя частиц) Ферми начал эксперименты по изучению взаимодействия между пи-мезонами и нейтронами. Ферми принадлежит также теория множественного рождения частиц, происхождения космических лучей и источники их высокой энергии.

В 1928 году Ферми вступил в брак с Лаурой Капон, принадлежавшей к известной в Риме еврейской семье. У супругов Ферми родились сын и дочь. Человек выдающегося интеллекта и безграничной энергии, Ферми увлекался альпинизмом, зимними видами спорта и теннисом. Он умер от рака желудка у себя дома в Чикаго вскоре после того, как ему исполнилось пятьдесят три года. На следующий год в честь него новый, 100-й элемент был назван фермием. Его имя присвоено также крупнейшей ускорительной лаборатории США.

Ферми был избран членом Национальной академии наук США (1945), почетным членом Эдинбургского королевского общества (1949) и иностранным членом Лондонского королевского общества (1950). Президентом США Ферми был назначен членом Генерального консультативного комитета Комиссии по атомной энергии (1946;1950). Он был вице-президентом (1952) и президентом (1953) Американского физического общества. Помимо Нобелевской премии, Ферми был удостоен золотой медали Маттеуччи Национальной академии наук Италии (1926), медали Хьюза Лондонского королевского общества (1943), гражданской медали «За заслуги» правительства Соединенных Штатов Америки (1946), медали Франклина Франклиновского института (1947), золотой медали Барнарда за выдающиеся научные заслуги Колумбийского университета (1950) и первой премии Ферми, присужденной Комиссией по атомной энергии Соединенных Штатов Америки (1954). Он был почетным доктором многих высших учебных заведений, в том числе Вашингтонского и Йельского университетов, Рокфордского колледжа, Гарвардского и Рочестерского университетов.

К основным ядерно-физическим методам обнаружения и определения содержания элементов в различных природных и техногенных материалах и объектах окружающей среды относится активационный анализ. Метод базируется на фундаментальных понятиях и данных о структуре атомных ядер, сечениях ядерных реакций, схемах и вероятностях распада радионуклидов, энергиях излучения, а также на современных способах разделения и предварительного концентрирования микроэлементов. Широкое распространение активационный анализ получил благодаря таким преимуществам перед другими методами, как низкие пределы обнаружения элементов (10−12−10−13 г), экспрессность и воспроизводимость анализа, возможность неразрушающего одновременного определения в пробе 20 и более элементов. Применение специальных химических методик и аппаратурных приемов позволяет определять фоновое содержание металлов в приземном слое атмосферы, следовые количества примесей в биологических объектах, особо чистых веществах и устанавливать химическую форму элементов в исследуемых пробах. Большое значение имеет возможность проведения анализа в диапазоне массы образцов от нескольких микрограммов (важно для труднодоступных образцов, например, метеоритов или лунного грунта) до нескольких сотен граммов. Следует отметить, что относительная погрешность определения содержания элементов в пробах активационным методом не выходит за пределы 10%, а воспроизводимость составляет 5−15% и может быть доведена до 0,1−0,5% при серийных анализах. В настоящее время имеется целый ряд разновидностей активационного анализа. Однако общим для всех этих методов является активация вещества нейтронами, гамма-квантами или заряженными частицами и последующая регистрация спектрального состава излучения возбужденных ядер или образовавшихся радиоактивных изотопов. Наиболее распространены первые два метода. Активационный анализ на заряженных частицах, в связи с их малым пробегом в веществе, используется главным образом для анализа тонких слоев и при изучении поверхностных эффектов.

Для осуществления активационного анализа исследуемый образец (проба) подвергается облучению потоком бомбардирующих частиц, например нейтронов в ядерном реакторе. При этом образуются как стабильные, так и радиоактивные нуклиды (радионуклиды), характеризующиеся различными временами жизни и энергиями распада. Радиоактивность облученного образца прямо пропорциональна количеству образовавшихся радионуклидов. Поэтому количество радионуклида удобно выражать его активностью A, т. е. числом распадов в единицу времени, т.к. эту величину можно измерить с помощью различных детекторов.

В результате распада количество радиоактивных ядер в образце непрерывно уменьшается и, следовательно, изменяется и активность. Скорость распада описывается дифференциальным уравнением, решение которого имеет экспоненциальный вид, так что нетрудно получить уравнение для вычисления активности радионуклида:

. (1).

Зная активность радионуклида A, содержащегося в образце на данный момент времени, можно рассчитать количество радиоактивных ядер и их массу.

(2).

где m — масса радиоактивных ядер (г), M — массовое число радиоизотопа.

Скорость накопления радионуклида во время облучения исследуемой пробы можно описать дифференциальным уравнением:

(3).

где уФNx — скорость образования радиоактивных ядер в пробе, лN — скорость их распада, Ф — плотность потока бомбардирующих частиц (см-2 с-1), у — сечение реакции (см2), Nx — количество стабильного изотопа анализируемого элемента в облучаемой пробе.

Интегрируя уравнение (3), получим выражение для вычисления активности радионуклида, накопившегося в пробе за время облучения,.

(4).

где N — количество накопившихся радиоактивных ядер; tобл — время облучения.

Если время облучения намного больше периода полураспада tобл>>(8−10)Т½, то экспоненциальное слагаемое в (4) пренебрежимо мал по сравнению с единицей, и тогда.

. (5).

Активность называется активностью насыщения или равновесной активностью.

Обычно после облучения какое-то время затрачивается на транспортировку пробы к установке детектирования, или проба специально выдерживается для распада мешающих анализу, более короткоживущих продуктов ядерных реакций. В результате распада активность определяемых радионуклидов тоже уменьшается в соответствии с выражением (1):

(6).

где Aвыд — активность определяемого нуклида после выдержки; tвыд — время между концом облучения и началом измерения активности.

Вывод уравнения (4) сделан без учета уменьшения количества («выгорания») исследуемых стабильных ядер Nx в пробе при облучении, поскольку «выгорание» незначительно и заметно только для изотопов с большим сечением взаимодействия и при длительном облучении. Было также предположено, что плотность потока активирующих частиц во время облучения не меняется.

Ежегодно в мире проводится более сотни тысяч активационных анализов. В качестве примера можно упомянуть нейтронно-активационный анализ волос Исаака Ньютона, который был проведен в английском ядерном центре в Олдермастоне. Для исследования на присутствие золота и ртути облучение нейтронами продолжалось 5 дней, а на мышьяк, сурьму и серебро — до 14 дней. Оказалось, что содержание металлов с высокой токсичностью значительно превышало нормальный уровень, так количество ртути в волосах Ньютона в 40 раз превосходило норму. Полученные данные подтверждают предположение о том, что Ньютон в течение длительного времени болел вследствие ртутного отравления.

Инструментальный и радиохимический анализ. Облучение исследуемых проб приводит к образованию смеси радионуклидов различных химических элементов, входящих в пробу. Идентификацию отдельных радионуклидов осуществляют либо по их ядерно-физическим свойствам (энергия и вид испускаемых частиц, период полураспада), применяя для этих целей счетчики гамма-квантов и в-частиц и гамма-спектрометры, либо измеряя активность радионуклида в течение какого-то времени для установления его периода полураспада. Данные об интенсивности отдельных видов излучения, принадлежность которых установлена, используют для расчета содержания элементов в исследуемой пробе. На Рис. 1 показан пример определения элементного состава образца по спектрам гамма-излучения ядер примеси.

Рис. 1.Определение элементного состава образца по спектрам гамма-излучения.

Количество зарегистрированных в процессе анализа импульсов с учетом уменьшения активности во время измерения выражается следующим соотношением:

(7).

где mx — масса определяемого элемента в пробе, Y — относительная распространенность изотопа, н — квантовый выход излучения, е — эффективность регистрации излучения данного вида, tизм — время измерения.

Если период полураспада радионуклида достаточно велик, т. е. то выражение (7) принимает вид:

. (8).

Используя выражения (7) или (8), по измеренным значениям ДА вычисляют содержание исследуемого элемента mx в пробе. Заметим, что из последнего уравнения (8) следует, что с увеличением периода полураспада уменьшается число полезных зарегистрированных сигналов. Следовательно, экспрессность анализа будет выше при анализе проб по короткоживущим радионуклидам.

Приведенный метод определения содержания элемента по активности накопившегося радионуклида без привлечения эталона называется абсолютным методом. Однако в этом случае необходимо знать плотность потока и энергию бомбардирующих частиц. Например, при облучении проб реакторными нейтронами требуются данные о плотности потока и энергетическом спектре нейтронов, а также информация о величинах резонансных интегралов для облучаемых нуклидов, поскольку одни нуклиды (например, 23Na, 45Sc, 58Fe, 139La) преимущественно активируются тепловыми нейтронами, а другие (75As, 87Br, 121,123Sb, 181Ta, 197Au, 113,115In) и тепловыми, и резонансными нейтронами. Важным требованием в абсолютном методе является соблюдение постоянства потока активирующего излучения во времени. Необходимо также обеспечить измерение абсолютной активности накопившегося радионуклида с достаточной точностью.

Указанные выше трудности отсутствуют в относительном методе, при котором одновременно с анализируемой пробой облучается эталон с точно известным количеством определяемого элемента. Наведенные активности эталона и пробы измеряют в одинаковых условиях, а содержание определяемого элемента вычисляют из соотношения.

где mx и mэ — масса элемента в пробе и эталоне; Ах и Аэ — активность пробы и эталона, соответственно.

Такое исследование без разрушения образцов называют инструментальным активационным анализом. Если же при облучении пробы получается сложная смесь радионуклидов и ее невозможно расшифровать из-за совпадения или наложения близких по энергии гамма-квантов, то облученную пробу растворяют, проводят радиохимически чистое выделение отдельных элементов или группы элементов и затем по измеренной активности радионуклидов рассчитывают содержание элементов. Такой вариант называется активационным анализом с радиохимическим разделением.

Наряду с известными методами активационного анализа, к настоящему времени разработан ряд новых вариантов, в которых сочетаются техника активационного анализа и метод изотопного разбавления. Например, в безэталонном варианте с использованием субстехиометрии облученный образец растворяют, разделяют на две равные части mx1 и mx2. Далее к части mx1 добавляют известное количество стабильного носителя m0 и затем из обеих частей mx1 + m0 и mx2 выделяют одинаковые, субстехиометрические (меньшие стехиометрических) количества определяемого элемента дm, измеряют радиоактивность этих аликвот и вычисляют неизвестное содержание определяемого элемента:

. Так как mx = mx1 + mx2 и mx1 = mx2, то.

.

где, А — активность радионуклида в пробе; Ax1 и Ax2 —активность аликвот, взятых из первой и второй половин раствора пробы соответственно; mx — неизвестная масса определяемого элемента в пробе. В этом методе использовано уменьшение удельной активности первой половины раствора из-за добавки стабильного носителя m0.

Важным параметром любого метода анализа является предел обнаружения, определяемый как наименьшая концентрация, при которой исчезает аналитический сигнал. Однако, для однозначной идентификации и тем более для количественного определения этот сигнал и, следовательно, концентрация должны иметь значительно (примерно на порядок) большую величину. Поэтому для оценки аналитических методов введена такая характеристика, как предел определения — минимальная концентрация, измеряемая с заданной погрешностью. Минимальная концентрация в активационном анализе зависит от минимальной активности, которая может быть измерена с заданной погрешностью. Подставив величину этой минимальной активности в уравнение (5), можно рассчитать минимальное количество вещества, доступное для определения при заданных условиях. Из соотношения (7) следует, что минимальная определяемая концентрация элемента в пробе будет тем ниже, чем больше сечение реакции и относительная распространенность активируемого изотопа и меньше период полураспада образующегося при облучении радионуклида.

Принято считать, что при количественном анализе радиоактивности необходимо регистрировать измерительным устройством не менее 18 имп/мин над фоном. Тогда при эффективности детектора 0,05 можно наблюдать минимальную активность Aмин, соответствующую 6 Бк. Если активация продолжается до получения активности насыщения, а время выдержки и измерения достаточно малы, то минимальное количество определяемого элемента в одном грамме анализируемой пробы, в соответствии с выражением (7), будет следующим:

.

где mxмин — минимальная масса определяемого элемента в одном грамме пробы, Амин = 6 Бк — минимальная наведенная активность определяемого элемента, поддающаяся измерению.

Нейтронно-активационный анализ. Ядра атомов большинства элементов легко поглощают нейтроны, особенно если скорость последних не очень велика. Это свойство атомных ядер и лежит в основе нейтронно-активационного анализа. В результате поглощения нейтронов ядрами чаще всего испускаются мгновенные гамма-лучи, поэтому такую ядерную реакцию называют радиационным захватом нейтронов и обозначают через (n, г). Радиационный захват нейтронов приводит, как правило, к образованию радиоактивных ядер. Иначе говоря, увеличение числа нейтронов в ядре на единицу делает его нестабильным. Так при поглощении нейтронов ядрами золота 197Au в реакции 197Au (n, г)198Au возникает радиоактивный изотоп золота 198Au с периодом полураспада 2.7 дня.

Количество данного радиоактивного изотопа, образующегося в веществе при облучении нейтронами, прямо пропорционально количеству его стабильного предшественника и, следовательно, служит мерой содержания элемента в анализируемом объеме. Например, чем выше концентрация примесного золота, тем больше возникает радиоактивных ядер 198Au.

Активация нейтронами ведет преимущественно к появлению бета-активных ядер. В результате бета-распада дочернее ядро может оказаться не только в основном, но в возбужденном состоянии.

Важно, что каждый сорт радиоактивных ядер характеризуется собственной энергией гамма-излучения, сопутствующего бета-распаду. Это обеспечивает возможность избирательного определения одного или нескольких элементов. Обычно регистрируют гамма-лучи объектов, активированных нейтронами, в широком диапазоне энергий, вследствие чего получаемый гамма-спектр содержит информацию о концентрации целого ряда химических элементов.

Чувствительность нейтронно-активационного анализа непосредственно связана с величиной потока нейтронов, облучающих исследуемый объект (см. формулы (4) — (6)). В современном нейтронно-активационном анализе используются очень интенсивные потоки нейтронов, плотность которых достигает 1014 нейтронов на квадратный сантиметр в секунду. Это гарантирует высокую чувствительность метода: содержания многих элементов могут быть измерены с точностью до 10−9 грамм.

Высокая чувствительность позволяет анализировать с помощью нейтронов крайне малые образцы. Так, при изучении мономинеральных фракций лунных пород использовались образцы массой в несколько микрограмм. В то же время нейтронно-активационный анализ может проводиться без разрушения образца, что особенно ценно при исследовании уникальных объектов.

По сравнению с другими аналитическими методами в нейтронно-активационном анализе намного меньшее влияние так называемого «матричного эффекта». Это означает, что на определение примесных элементов практически не сказываются микроэлементы, составляющие основу вещества. Иными словами, нейтронно-активационному методу доступно измерение содержания микроэлементов в самых разнообразных материалах.

Гамма-активационный анализ основан на ядерных реакциях, при которых жесткие фотоны возбуждают реакции с выходом нейтронов и протонов. Среди большого числа методов элементного анализа гамма-активационный анализ выделяется большой селективностью и чувствительностью. Фотоядерные реакции позволяют активировать практически все элементы периодической системы с пределом обнаружения до 10−7%. Для гамма-активационного анализа используется тормозное излучение высокой интенсивности (1015 — 1015 квант/с), которое получают на электронных ускорителях. В качестве источника фотонов в настоящее время используется тормозное излучение электронов с энергиями 10—30 МэВ. Важной характеристикой источника фотонов, определяющей эффективность гамма-активационного анализа, является спектральная яркость излучения. Гамма-активационный анализ в частности позволяет эффективно анализировать такие элементы, как Ca, Ni, Ti, Tl и Pb. Преимуществом гамма-активационного анализа перед нейтронно-активационным анализом является также то, что гамма-кванты могут глубже проникать в образец, следовательно, анализу могут подвергаться образцы больших размеров.

Нейтронография. Несмотря на большой прогресс в развитии техники, к настоящему времени не создано достаточно надежных и эффективных приборов, позволяющих непосредственно наблюдать расположение отдельных атомов в кристаллической решетке или в молекулах. Самые совершенные электронные микроскопы позволяют наблюдать только очень крупные атомы, например урана или золота, расположенные вблизи более мелких. Наиболее распространенные электронные микроскопы позволяют наблюдать неоднородности с размерами в несколько атомов. Ионные микроскопы (проекторы) хотя и позволяют наблюдать расположение отдельных крупных атомов, но очень сложны в использовании. Точное определение расстояний между атомами или кристаллическими плоскостями этим методом крайне затруднительно. Сегодня самым эффективным методом изучения взаимного расположения атомов является дифракция микрочастиц: фотонов, электронов, нейтронов. Именно этими методами в основном получены данные о структуре кристаллов и молекул. При исследовании кристалла дифракционными методами на кристалл направляют почти параллельный пучок частиц, изучают распределение интенсивности дифракции этих частиц по разным направлениям (а иногда и при различных ориентациях кристалла), а затем по дифракционной картине делают выводы о типе элементарной ячейки кристалла и строении его базиса. Эти методы позволяют определять периоды кристаллической решетки с точностью до 4−5 знака и определять с точностью до 2−3 знака расположение атомов в базисе.

Для наблюдения дифракции необходимо, чтобы длина волны де-Бройля дифрагирующих частиц была соизмерима с периодом кристаллической решетки. Этому условию удовлетворяют фотоны при энергии Е = 5−20 кэВ (рентгеновское и гаммаизлучение), электроны при Е = 10−100 эВ, и нейтроны при Е = 0,01- 0,1 эВ (тепловые нейтроны). Именно эти три частицы наиболее часто используются в дифракционных исследованиях кристаллов.

Однако, дифракция нейтронов на кристаллической решетке обладает существенным отличием от дифракции, например, рентгеновского излучения. Это отличие обусловлено главным образом разной природой рассеивающих центров. Если электромагнитные волны рассеиваются электронными оболочками атомов, то нейтроны, не имеющие заряда, рассеиваются ядрами. Это приводит, во-первых, к тому, что дифракция нейтронов слабо зависит от атомного номера кристалла, а во-вторых, дифракция может иметь особенности, связанные с наличием изотопов в исследуемом образце. Кроме того, наличие магнитного момента у нейтрона делает возможным исследование магнитной структуры исследуемых образцов. Значительный вклад в развитие нейтронографии, равно, как и других ядернофизических методов применительно к физике твердого тела внесли Нобелевские лауреаты 1994 года Бертрам Брокхауз и Клиффорд Шалл.

Климффорд Глемнвуд Шалл (англ. Clifford Glenwood Shull, 23 сентября 1915, Питтсбург, Пенсильвания, США—31 марта 2001, Медфорд, Массачусетс, США) — американский физик, лауреат Нобелевской премии по физике в 1994 году (совместно с Бертрамом Брокхаузом) «за создание метода нейтронной дифракции».

Клиффорд Шалл родился в семье Дэвида и Дэйзи Шалл в районе Питтсбурга под названием Гленвуд (в честь которого получил своё второе имя), в штате Пенсильвания. Интерес к физике, как к возможной профессии в будущем, Шалл проявил на последнем году обучения в школе Шенли (англ. Shenley High School), где он проходил курс физики у Поля Дюсарта. После школы Шалл поступил в Технологический институт Карнеги (англ. Carnegy Institute of Technology, сейчас — Университет Карнеги—Меллон), где слушал лекции по физике Гарри Хауэра, декана физического факультета, которые оказали на него сильное впечатление и еще более убедили в выборе дальнейшей профессии.

В январе 1934 года неожиданно умирает отец Шалла, что приводит к кризису в семье. Старший брат Клиффорда Перри Лео, недавно закончивший школу по художественной специальности, вынужден отказаться от идеи дальнейшего обучения и заняться отцовским бизнесом. Это продолжалось до конца обучения Клиффорда в институте в 1937 году. После обучения Шалл получает приглашение присоединиться к одной из исследовательских групп на факультете физики в Нью-Йоркском университете, занимающейся проблемами ядерной физики. Руководителями группы были Фрэнк Майерс (англ. Frank Myers) и Роберт Хантун (англ. Robert Huntoon), которые на тот момент работали над созданием генератора Кокрофт-Уолтона для ускорения дейтронов мощностью 200 кэВ. Шалл участвовал в первых испытаниях созданного ускорителя (опыты в области D-D-реакций).

В первом году своего пребывания в Нью-Йорке Шалл знакомится с Мартой-Нуэль Саммер, которая позднее становится его женой.

Во время обучения Шалла на третьем курсе, на факультете принимается решение о поддержке создания генератора Ван дер Граафа для ускорения электронов мощностью 400 кэВ. Создание ускорителя представлялось на тот момент важной задачей, поскольку помогло бы доказать существование у электронов спина или поляризации (предыдущие попытки в этом направлении были неудачными). В качестве ассистента Фрэнка Майерса, Шалл помогает в создании генератора, который впоследствии использует для проведения опытов по двойному рассеянию электронов для своей диссертационной работы. В июне 1941 года Шалл получает степень доктора наук.

В июле того же года Шалл переезжает с семьей в Бикон, Нью-Йорк, где до 1946 года работает в исследовательской лаборатории «Техасской компании» (англ. The Texas Company). Там он занимается изучением микроструктуры катализаторов с использованием газовой адсорбции, дифракции рентгеновского излучения и рассеяния. С вступлением США во Вторую мировую войну в декабре 1941 года эта область исследований приобрела особо важное значение, поскольку получаемые в лаборатории катализаторы использовались при изготовлении высокопроизводительного авиационного топлива. В это же время Шалл начинает интересоваться Манхэттенским проектом, в который были вовлечены многие крупные учёные-физики того времени. Его переходу туда препятствует руководство Техасской компании и Шалл вынужден оставаться в Биконе до конца войны.

После окончания войны Шалл возобновляет свои попытки по присоединению к Манхэттенскому проекту и на этот раз удачно. В июне 1946 года он вместе с семьей переезжает в Теннесси для работы в Национальной лаборатории Оук-Ридж. В Оук-Ридже Шалл работает вместе с Эрнестом Волланом (англ. Ernest Wollan), сконструировавшим элементарный двухосевой спектрометр для получения нейтронных дифракционных картин кристаллов и других материалов. За исследования в области нейтронной дифракции, проводившиеся в этой лаборатории, Шалл в 1994 году получит Нобелевскую премию по физике. Воллану разделить эту премию с Шаллом и Брокхаузом помешает его смерть в 1984 году.

В Оук-Риджской лаборатории Шалл работает до 1955 года, после чего переходит в Массачусетский технологический институт. Там он занимается обучением студентов на исследовательском реакторе MITR-I. На основе данных о нейтронной радиации, получавшейся в данном реакторе, группа Шалла проводила исследования в различных областях, включая намагниченность в кристаллах, технологию получения поляризованного излучения, динамическое рассеяние в идеальных кристаллах, интерферометрию и фундаментальные свойства нейтрона.

В 1986 году Шалл отошёл от научной и преподавательской деятельности. Он скончался 31 марта 2001 года, в возрасте 85 лет, в Мемориальном госпитале Лоуренса в Медфорде после скоротечной болезни. У Шалла трое сыновей — Джон, Роберт и Уильям.

Бертрам Невилл Брокхауз (англ. Bertram Brockhouse 15 июля 1918, Летбридж, Канада — 13 октября 2003, Гамильтон, Канада) — канадский физик, лауреат Нобелевской премии по физике в 1994 г. «за создание нейтронной спектроскопии» (совместно с Клиффордом Шаллом).

Бертрам Брокхауз был вторым из четырёх детей в семье Израэля Бертрама и Мэйбл Эмили Брокхауз (ур. Невилл). В конце 1926 г. семья переехала в Ванкувер, где в 1935 г. Бертрам Брокхауз окончил школу им. Короля Георга. Вскоре после этого семья, по причине бедности во время депресии, переехала в Чикаго, где Брокхауз работал ассистентом в лаборатории и занимался починкой радиоприёмников. Так как ситуация в семье после переезда в Чикаго не улучшилась, в 1938 г. последовал новый переезд обратно в Ванкувер. После начала второй мировой войны Брокхауз пошёл добровольцем на флот и служил там до окончания войны. На службе занимался в основном эксплуатацией оборудования ASDIC — предшественника сонаров.

После окончания войны он поступает в конце 1945 г. при помощи департамента поддержки ветеранов в университет британской Колумбии. Изучает физику и математику. В 1947 г. получил степень бакалавра в лаборатории низких температур. После этого он переводится в университет Торонто и через 8 месяцев получает там степень магистра. После защиты диссертации в 1950 г. получает место в лаборатории Чок Ривер — канадскому учреждению по ядерной энергии. С 1960 г. возглавляет там отделение нейтронной физики.

В 1962 г. Брокхауз стал профессором в университете Мак-Мастера в Канаде, где и оставался до пенсии в 1984 г.

В 1994 г. удостоен, совместно с Клиффордом Шаллом, Нобелевской премии по физике. В 1982 г. присвоено звание кавалера ордена Канады и в 1995 г. посвящён в компаньоны.

В октябре 2005 г. в рамках празднования 75-тилетия университета Мак-Мастера, Университетская авеню в городе Гамильтоне переименована в честь Брокхауза в Брокхауз-уэй Структурная нейтронография уже давно заняла прочные позиции в ряду других методов изучения кристаллической структуры. Появление в последние годы высоко поточных атомных реакторов, автоматических нейтронных дифрактометров, управляемых ЭВМ, а также комплексов специальных компьютерных программ обработки нейтроно-дифракционных данных необычайно расширило возможности структурной нейтронографии и обусловило резкое возрастание интереса к ней со стороны физиков, химиков, биологов, металлургов. Структурная нейтронография — это метод изучения строения молекул, кристаллов и жидкостей с помощью рассеяния нейтронов. Сведения об атомной и магнитной структуре кристаллов получают из экспериментов по дифракции нейтронов, о тепловых колебаниях атомов в молекулах и кристаллах — из экспериментов по рассеянию нейтронов, при котором нейтроны обмениваются энергией с изучаемым объектом (рассеяние в этом случае называется неупругим). Первые работы в области нейтронографии принадлежат Ферми (1946).

Структурная нейтронография — один из современных методов структурного анализа кристаллов. Геометрическая теория дифракции всех трёх излучений — рентгеновских лучей, электронов, нейтронов — одинакова, но физическая природа взаимодействия их с веществом различна, что определяет специфику и области применения каждого из методов. Как уже указывалось выше, рентгеновские лучи рассеиваются электронными оболочками атомов, нейтроны (через короткодействующие ядерные силы) — атомными ядрами, электроны — электрическим потенциалом атомов. Вследствие этого структурная нейтронография имеет ряд особенностей. Рассеивающая способность атомов характеризуется атомной амплитудой рассеяния. Особый характер взаимодействия нейтронов с ядрами приводит к тому, что атомная амплитуда рассеяния нейтронов для различных элементов (в отличие от рентгеновских лучей) несистематическим образом зависит от порядкового номера элемента в периодической системе. В частности, рассеивающие способности лёгких и тяжёлых элементов оказываются одного порядка. Поэтому изучение атомной структуры соединений лёгких элементов с тяжёлыми является специфической областью структурной нейтронографии. Прежде всего, это относится к соединениям, содержащим легчайший элемент — водород. Рентгенографически и электронографически в некоторых благоприятных случаях удаётся определить положение атомов водорода в кристаллах его соединений с другими лёгкими атомами (с Z ‹ 30). Нейтронографически определение положения атомов водорода не сложнее, чем большинства других элементов, причём существенная методическая выгода достигается заменой в изучаемой молекуле атомов водорода на его изотоп — дейтерий. С помощью нейтронографии определена структура большого числа органических соединений, гидридов и кристаллогидратов, уточнена структура различных модификаций льда, водородсодержащих сегнетоэлектриков и т. д., что дало ряд новых данных для развития кристаллохимии водорода.

Внимание к исследованиям электромагнитных процессов в кристаллах с участием быстрых заряженных частиц обусловлено предсказанием и обнаружением ряда неизвестных ранее физических эффектов, которые открыли новые возможности не только в изучении фундаментальных закономерностей взаимодействия релятивистских частиц с веществом, но и в области прикладной ядерной физики для получения интенсивных пучков фотонов высокой энергии, управления параметрами пучков релятивистских частиц, исследования свойств кристаллов и т. д. Электромагнитные процессы, сопровождающие прохождение быстрых заряженных частиц через различные среды, достаточно многообразны и их исследование еще далеко не завершено. К таким эффектам относятся когерентные и интерференционные эффекты в излучении, явление каналирования и связанное с ним спонтанное электромагнитное излучение, ориентационные эффекты в рассеянии быстрых заряженных частиц в кристаллах. История открытия и изучения многих из них насчитывает уже не один десяток лет и к настоящему времени накоплен большой теоретический и экспериментальный материал в этой области физики. Дальнейшие исследования в этой области, особенно при сверхвысоких энергиях частиц, несомненно, помогут найти ответы на многие вопросы современной квантовой электродинамики и дадут ключ к созданию новых технологий в экспериментальной и прикладной физике.

Хорошо известно, например, что электромагнитное излучение может происходить при ускорении частицы, при распространении частицы в среде со скоростью, превышающей фазовую скорость электромагнитных волн, или при перестройке собственного поля частицы вследствие изменения диэлектрической восприимчивости среды. Эти причины порождают многообразие различных типов электромагнитного излучения, которые служат либо для определения характеристик самих излучающих частиц, либо используются как инструмент для других физических исследований.

Поиск новых источников интенсивного электромагнитного излучения в разных диапазонах частот постоянно способствует развитию теоретических и экспериментальных исследований различных типов электромагнитного излучения релятивистских частиц в веществе и во внешних полях. Например, вопросы физики г-г реакций попадают в сферу все большего внимания, как теоретиков, так и экспериментаторов. Эта область физики является интенсивно развивающейся. В этой связи развитие экспериментальных методов получения интенсивных потоков фотонов высоких энергий (более 100 ГэВ) значительно расширило бы круг исследований электрослабых и сильных взаимодействий. Поэтому решение проблемы источника фотонов высоких энергий является определяющей для дальнейшего прогресса исследований в этой области.

В последние годы был открыт целый ряд, так называемых, ориентационных эффектов, возникающих при прохождении быстрых заряженных частиц через кристаллы. Эти эффекты уже нашли широкое применение в радиационной физике твердого тела, ядерной физике, физике сверхтонких взаимодействий и т. п. Существующая со времен Бора теория прохождения заряженных частиц через вещество не может быть использована для интерпретации этих эффектов, так как в этой теории не учитывается периодическая структура кристаллов (а именно из-за периодичности решетки и возникают ориентационные эффекты).

Волокно и фотоаппарат.

В 2009 году Нобелевскую премию по физике получили ученые, изменившие мир. Причем сделавшие это почти на бытовом уровне — их изобретения позволили расцвести высокоскоростному Интернету, цифровой фотографии, а также превратили астрономию в одну из самых красивых наук, подарив ей возможность делать великолепные снимки. Чарльз Као удостоился половины Нобелевской премии в 975 тысяч евро за свои работы по созданию оптоволоконных сетей передачи данных.

Американский физик китайского происхождения Чарлз Куэн Као родился 4 ноября 1933 года в Шанхае. С давних времен семья Као считалась зажиточной, так как прежние поколения были умелыми земледельцами. Дети каждого поколения получали хорошее образование. Не стал исключением и Чарлз. С раннего детства он и его младший брат Тимоти изучали китайскую классику. Всячески способствовал этому дед Чарлза — Гао Чуйвань. Дед был поэтом и сочинял прекрасные стихи, которые записывал традиционным каллиграфическим методом. Дед также коллекционировал книги и был членом революционной организации Нан Ше, которая принимала участие в Синьхайской революции 1911 года.

Из-за утраты двух старших братьев, Чарлз и Nимоти росли очень избалованными, но под постоянной опекой нянь. Обучение мальчиков происходило на дому. Приходили два учителя, один преподавал «столбы» конфуцианства и заставлял цитировать заученные строки наизусть, другой преподавал английский язык. В десять лет Чарлз был отдан в школу. Первый день для него был шокирующим: он еще никогда не видал столько кричащих и бегущих детей. Школа, в которой учился Чарлз, была многонациональной. Способствовало этому то, что дом семьи Као находился во французском сеттльменте. Благодаря такому стечению обстоятельств семья практически не пострадала от ужасов японской оккупации. Поэтому большую часть свободного времени семья Као проводила за бриджем и другими карточными играми. С окончанием войны с Японией проблемы не окончились, на территории Китая начала заправлять Красная Армия. Нередко в доме возникали дискуссии о выезде из Китая. В 1948 году семья покинула Шанхай. Ненадолго пробыв на Тайване, они обосновались в Гонконге. С помощью родственников матери, они сразу нашли уютную квартиру, а Чарлз с братом были зачислены в колледж Святого Джозефа, где учились их двоюродные братья. В колледже Чарлзу пригодилось знание английского языка, поскольку на нем велось обучение. Аттестат зрелости он получил в 1952 году. Позже Чарлз скажет, что одноклассники запомнили его как исключительного тихоню, поскольку он никогда не интересовался спортом, практически ни с кем не разговаривал, а занимался только учебой.

После получения среднего образования, Чарлз хотел продолжить обучение в Гонконгском университете. Но после войны это учебное заведение не могло дать тот уровень знаний, который ему был нужен. Чарлз хотел изучать электротехнику, и поэтому обратился в Британское посольство в способствовании его выезду в Великобританию. Помощь была оказана и в 1953 году он на лайнере «P&O» отправился в Англию.

В Лондоне он поступил в Политехнический университет Вулвич (который позже был преобразован в Гринвичский университет). В 1957 он получает степень бакалавра по электротехнике. После окончания университета он устроился на работу в Standard Telephones & Cables (STC), британскому филиалу американской International Telephone & Telegraph (ITT). Около года он работал как стажер. Ему понравилось, и он остался еще на 2 года. В течение трех лет пребывания в STC он встретил свою будущую жену Гвен, которая работала в той же фирме этажом выше. После этого, чувствуя, что нужно двигаться дальше, Као устраивается в Политехнический университет Лафборо.

Однажды высшее руководство STC получило отчеты об исследованиях Као и незамедлительно предложило должность в научно-исследовательской лаборатории, которая находилась в Харлоу. Дабы дать дополнительный стимул, в Харлоу сразу нашлась работа для жены Чарлза. Университет не хотел мирно отпускать Чарлза, так как он с женой взял ипотеку под поручительство учебного заведения. Но к счастью, адвокаты STC быстро решили все проблемы. После этого судьба на 30 лет связала Као с STC. В 1965;ом Чарлз получил степень доктора философии в Имперском колледже Лондона. В 1966 году Као совместно с Джорджем Хокхэмом совершает новаторское открытие, из которого следует, что высокие потери в передаче данных по волокну вызваны не самой технологией, а примесями в стекле. Результаты своих исследований он представляет в том же году. Позже выходит его отчёт с изложением ключевых особенностей волоконно-оптических телекоммуникационных технологий. Изложенные в этом документе идеи по использованию волокна для потребностей связи являются основой телекоммуникаций сегодняшнего дня.

В то время стандартный уровень затухания сигнала составлял 100 дБ/км. Оптоволокно имело ограниченную сферу применения, например, использовалось в медицине для передачи изображения из желудка пациента. В своем отчете Чарлз обосновывает, что можно уменьшить затухание до 20 дБ/км, то есть дальность передачи можно довести до 100 км, если увеличить прозрачность стекла. Это был невероятный прорыв, ибо никто раньше предположить не мог, что такое теоретически возможно. Работа Као была первой на эту тему, и породила целую волну научных изысканий от других исследователей. В 1971 году американская компания Corning Glass Works изготовила первый километровый образец оптоволокна из плавленого кварца. Новый материал позволил уменьшить затухание до 17 дБ/км, а добавка диоксида германия снизила его до 4 дБ/км. В наше время лучше образцы оптоволокна имеют показатель затухания менее 0,2 дБ/км. Као первым предложил использовать волоконно-оптические кабели для передачи информации на большие расстояния (до этого их дальность ограничивалась несколькими метрами). По началу в эту идею мало кто верил, но личная роль учёного в процессе инженерной и коммерческой реализации проекта в корне изменила индустрию телекоммуникаций. В 1967 году родители Као эмигрировали в Англию, чтобы быть поближе к сыну и внукам (в 1961 у Чарлза и Гвен родился сын, а в 1963 — дочь). В 1970;ом он просит у руководства STC отпуск на 2 года, для формирования факультета электротехники в Гонконгском университете. Два года растянулись на четыре… Но после первого же выпуска своих студентов, Чарлз незамедлительно возвращается на работу в STC, чтобы не отстать от событий в области исследования оптоволокна. Также, за 4 года он очень соскучился по родителям, которые продолжали жить в Харлоу. В 1974 году проект, над которым работал Чарлз еще в 1966 году, благодаря техническому прогрессу подошел к стадии разработки подготовки производства. Настало время, чтобы реконструировать телекоммуникационные системы во всем мире. Поэтому ITT переводит Као на завод в Роаноке (штат Вирджиния). Сначала он получил должность руководителя исследовательских работ, позже вице-президента, а потом и Директора электрооптического отделения. В это время он часто он посещает различные лаборатории в Европе, чтобы быть в курсе последних разработок. К 1980;ым годам оптоволокно во всем мире было проложено в больших количествах, промышленность его производства развивалась бешеными темпами. Поэтому правление компании назначило Као координатором, отвечающего за все научно-исследовательские действия в этом направлении. Для этого Чарлз переезжает в главный офис компании в Коннектикут. Должность дала ему полную свободу действий. Пользуясь своим положением он создает Оптоэлектронный технологический проект «Терабит». Задание для этого проекта было достигнуть передачи данных в несколько терабит за секунду. С заданием справились на отлично — скорость была достигнута. Позже Чарлз Као скажет: «Интернет родился!». В 1986 году снова поступает предложение от Гонконгского университета. Као принимает предложение, и руководит университетом с 1987 по 1996. Такое странное решение было вызвано не столько предложением Гонконга, как-то, что компания ITT начала продажу всех технических подразделений компании Alcatel. Потом работал генеральным директором компании Transtech.

В 1996 году в честь учёного назван астероид Каокуэн, открытый в 1981 году. В 2000 году основывает Академию развития независимого образования (Independent School Foundation Academy).

В начале 2004 года у Као обнаружили слабые признаки болезни Альцгеймера, которой ранее страдал его отец. В 2009 году Чарлз переехал в Калифорнию, чтобы быть поближе к своим детям, которые работают в Кремниевой долине.

В 2009 году Чарлзу Као была присуждена Нобелевская премия по физике «за выдающиеся достижения, касающиеся передачи световых сигналов в волокнах и развитие оптических систем передачи данных» .

Као также награжден Премией Мори (1976), Премией Ранка (1978), премией Эрикссона (1979), Медалью Белла (1985), Премией Общества Маркони (1985), Медалью Фарадея (1989), Премией Макгруди (1989), Орденом Британской империи (1993), Золотой медалью Великобритании (1995), Медалью принца Филиппа (1996), Премией Японии (1996), Премией Дрейпера (1999), Золотой медалью Гонконгского инженерного института (2006). Као является членом Лондонского королевского общества, Китайской академии наук, Европейской академии наук и искусств, тайваньской Academia Sinica.

Принцип передачи света, используемый в волоконной оптике, был впервые продемонстрирован во времена королевы Виктории (1837—1901 гг.), но прозрачность оптических проводов оставляла желать лучшего — электромагнитная волна внутри них быстро угасала). Кроме того, свет уходил из волокон через царапины и повреждения. Решение второй проблемы было найдено достаточно быстро — волокна стали плакировать, то есть покрывать слоем металла. Проблема затухания была решена Чарльзом Као, виновниками ослабления были ионы металлов, присутствующие в стекле. Революционная работа Као, вышедшая в 1966 году, содержала всего 8 страниц. Немногим позже Као и его коллегой Хокамом была создана полная теория работы оптоволокна и предложен наиболее подходящий материал для его производства — плавленый кварц.

Изобретение лазеров сделало возможным построение волоконно-оптических линий передачи, превосходящих по своим характеристикам традиционные проводные средства связи. Стеклянные оптические волокна делаются из кварцевого стекла, но для дальнего инфракрасного диапазона могут использоваться другие материалы, такие как флуоро-цирконат, флуоро-алюминат и халькогенидные стекла. Как и другие стекла, эти имеют показатель преломления около 1,5.В настоящее время развивается применение пластиковых оптических волокон.

Конструкция. Оптическое волокно имеет круглое сечение и состоит из двух частей — сердцевины и оболочки. Для обеспечения полного внутреннего отражения абсолютный показатель преломления сердцевины несколько выше показателя преломления оболочки. Например, если показатель преломления оболочки равен 1,474, то показатель преломления сердцевины — 1,479.

Луч света, направленный в сердцевину, будет распространяться по ней, испытывая многократные переотражения от границы раздела «сердцевина — оболочка».

Все оптические волокна, используемые в телекоммуникациях, имеют диаметр 125±1 микрон. Диаметр сердцевины может отличаться в зависимости от типа волокна и национальных стандартов.

Оптические волокна могут быть одномодовыми и многомодовыми. Диаметр сердцевины одномодовых волокон составляет от 7 до 9 микрон. Благодаря малому диаметру достигается передача по волокну лишь одной моды электромагнитного излучения, за счёт чего исключается влияние дисперсионных искажений. В настоящее время практически все производимые волокна являются одномодовыми.

Существует три основных типа одномодовых волокон:

Одномодовое ступенчатое волокно с несмещённой дисперсией (стандартное) (англ. SMF — Step Index Single Mode Fiber), определяется рекомендацией ITU-T G.652 и применяется в большинстве оптических систем связи.

Одномодовое волокно со смещённой дисперсией (англ. DSF — Dispersion Shifted Single Mode Fiber), определяется рекомендацией ITU-T G.653. В волокнах DSF с помощью примесей область нулевой дисперсии смещена в третье окно прозрачности, в котором наблюдается минимальное затухание.

Одномодовое волокно с ненулевой смещённой дисперсией (англ. NZDSF — Non-Zero Dispersion Shifted Single Mode Fiber), определяется рекомендацией ITU-T G.655.

Многомодовые волокна отличаются от одномодовых диаметром сердцевины, который составляет 50 микрон в европейском стандарте и 62,5 микрон в североамериканском и японском стандартах. Из-за большого диаметра сердцевины по многомодовому волокну распространяется несколько мод излучения — каждая под своим углом, из-за чего импульс света испытывает дисперсионные искажения и из прямоугольного превращается в колоколоподобный.

Многомодовые волокна подразделяются на ступенчатые и градиентные. В ступенчатых волокнах показатель преломления от оболочки к сердцевине изменяется скачкообразно. В градиентных волокнах это изменение происходит иначе — показатель преломления сердцевины плавно возрастает от края к центру. Это приводит к явлению рефракции в сердцевине, благодаря чему снижается влияние дисперсии на искажение оптического импульса. Профиль показателя преломления градиентного волокна может быть параболическим, треугольным, ломаным и т. д.

Основное применение оптические волокна находят в качестве среды передачи на волоконно-оптических телекоммуникационных сетях различных уровней: от межконтинентальных магистралей до домашних компьютерных сетей. Применение оптических волокон позволяет оперировать с чрезвычайно высокими скоростями передачи, измеряемыми терабитами в секунду. Оптическое волокно может быть использовано как датчик для измерения напряжения, температуры, давления и других параметров. Малый размер и фактическое отсутствие необходимости в электрической энергии, даёт волоконно-оптическим датчикам преимущество перед традиционными электрическими в определённых областях. Оптическое волокно используется в гидрофонах в сейсмических или гидролокационных приборах. Созданы системы с гидрофонами, в которых на волоконный кабель приходится более 100 датчиков. Системы с гидрофоновым датчиком используются в нефтедобывающей промышленности, а также флотом некоторых стран. Немецкая компания Sennheiser разработала лазерный микроскоп, работающий с лазером и оптическим волокном.

Волоконно-оптические датчики, измеряющие температуры и давления, разработаны для измерений в нефтяных скважинах. Они хорошо подходят для такой среды, работая при температурах, слишком высоких для полупроводниковых датчиков.

Разработаны устройства дуговой защиты с волоконно-оптическими датчиками, основными преимуществами которых перед традиционными устройствами дуговой защиты являются: высокое быстродействие, нечувствительность к электромагнитным помехам, гибкость и лёгкость монтажа, диэлектрические свойства.

Оптическое волокно применяется в лазерном гироскопе, используемом в Boeing 767 и в некоторых моделях машин (для навигации). Специальные оптические волокна используются в интерферометрических датчиках магнитного поля и электрического тока. Это волокна, полученные при вращении заготовки с сильным встроенным двойным лучепреломлением.

Диск фрисби, освещённый оптическим волокном Оптические волокна широко используются для освещения. Они используются как световоды в медицинских и других целях, где яркий свет необходимо доставить в труднодоступную зону. В некоторых зданиях оптические волокна используются для обозначения маршрута с крыши в какую-нибудь часть здания. Волоконно-оптическое освещение также используется в декоративных целях, включая коммерческую рекламу, искусство и искусственные рождественские ёлки.

Оптическое волокно также используется для формирования изображения. Пучок света, передаваемый оптическим волокном, иногда используется совместно с линзами — например, в эндоскопе, который используется для просмотра объектов через маленькое отверстие.

Один из способов механической шифровки изображения заключается в следующем: большое количество оптических волокон, оба конца которых расположены упорядоченно, тщательно переплетают в середине, а затем разрезают пополам. Одна половина получившейся конструкции используется для шифровки изображения, а другая — для дешифровки: изображение, пройдя через переплетённые световоды, превращается в бессмысленный набор точек разного цвета, но после прохода через вторую половину этот набор точек восстанавливается до оригинала. Преимущество этого метода заключается в простоте изготовления шифрующего механизма и в невозможности расшифровать передаваемое изображение без шифратора или дешифратора (шифратор и дешифратор в такой системе абсолютно взаимозаменяемы). Недостаток заключается в значительной потере качества изображения, зависящей от толщины используемых световодов, и в необходимости очень точно позиционировать зашифрованное изображение перед дешифратором — малейший перекос будет препятствовать расшифровке.

Полное внутреннее отражение в оптической среде В основе волоконно-оптической связи лежит явление полного внутреннего отражения электромагнитных волн на границе раздела диэлектриков с разными показателями преломления. Оптическое волокно состоит из двух элементов — сердцевины, являющейся непосредственным световодом, и оболочки. Показатель преломления сердцевины несколько больше показателя преломления оболочки, благодаря чему луч света, испытывая многократные переотражения на границе сердцевина-оболочка, распространяется в сердцевине, не покидая её.

Волоконно-оптическая связь находит всё более широкое применение во всех областях — от компьютеров и бортовых космических, самолётных и корабельных систем, до систем передачи информации на большие расстояния, например, в настоящее время успешно используется волоконно-оптическая линия связи Западная Европа — Япония, большая часть которой проходит по территории России. Кроме того, увеличивается суммарная протяжённость подводных волоконно-оптических линий связи между континентами.

Волокно в каждый дом (англ. Fiber to the premises, FTTP или Fiber to the home, FTTH) — термин, используемый телекоммуникационными провайдерами, для обозначения широкополосных телекоммуникационных систем, базирующихся на проведении волоконного канала и его завершения на территории конечного пользователя путём установки терминального оптического оборудования для предоставления комплекса телекоммуникационных услуг, включающего:

высокоскоростной доступ в Интернет;

услуги телефонной связи;

услуги телевизионного приёма.

Стоимость использования волоконно-оптической технологии уменьшается, что делает данную услугу конкурентоспособной по сравнению с традиционными услугами.

Историю систем передачи данных на большие расстояния следует начинать с древности, когда люди использовали дымовые сигналы. С того времени эти системы кардинально улучшились, появились сначала телеграф, затем — коаксиальный кабель. В своем развитии эти системы рано или поздно упирались в фундаментальные ограничения: для электрических систем это явление затухания сигнала на определённом расстоянии, для СВЧ — несущая частота. Поэтому продолжались поиски принципиально новых систем, и во второй половине XX века решение было найдено — оказалось, что передача сигнала с помощью света гораздо эффективнее как электрического, так и СВЧ-сигнала.

В 1966 году Као и Хокман из STC Laboratory (STL) представили оптические нити из обычного стекла, которые имели затухание в 1000 дБ/км (в то время как затухание в коаксиальном кабеле составляло всего 5−10 дБ/км) из-за примесей, которые в них содержались и которые в принципе можно было удалить. Существовало две глобальных проблемы при разработке оптических систем передачи данных: источник света и носитель сигнала. Первая разрешилась с изобретением лазеров в 1960 году, вторая — с появлением высококачественных оптических кабелей в 1970 году. Это была разработка Corning Glass Works. Затухание в таких кабелях составляло около 20 дБ/км, что было вполне приемлемым для передачи сигнала в телекоммуникационных системах. В то же время, были разработаны достаточно компактные полупроводниковые GaAs-лазеры. После интенсивных исследований в период с 1975 по 1980 год появилась первая коммерческая волоконно-оптическая система, оперировавшая светом с длиной волны 0,8 мкм и использовавшая полупроводниковый лазер на основе арсенида галлия (AsGa). Битрейт систем первого поколения составлял 45 Мбит/с, расстояние между повторителями — 10 км.22 апреля 1977 года в Лонг-Бич, штат Калифорния, компания General Telephone and Electronics впервые использовала оптический канал для передачи телефонного трафика на скорости 6 Мбит/с.

Второе поколение волоконно-оптических систем было разработано для коммерческого использования в начале 1980;х. Они оперировали светом с длиной волны 1,3 мкм от InGaAsP-лазеров. Однако такие системы всё ещё были ограниченны из-за рассеивания, возникающего в канале. Однако уже в 1987 году эти системы работали на скорости до 1,7 Гбит/с при расстоянии между повторителями 50 км. Первый трансатлантический телефонный оптический кабель — ТАТ-8 — был введён в эксплуатацию в 1988 году. В его основе лежала оптимизированная технология Desurvire усиления лазера. ТАТ-8 разрабатывался как первый подводный волоконно-оптический кабель между Соединёнными Штатами и Европой. Разработка систем волнового мультиплексирования позволила в несколько раз увеличить скорость передачи данных по одному волокну и к 2003 году при применении технологии спектрального уплотнения была достигнута скорость передачи 10,92 Тбит/с (273 оптических канала по 40 Гбит/с)[1]. В 2009 году лаборатории Белла посредством мультиплексирования 155 каналов по 100 Гбит/с удалось передать сигнал со скоростью 15,5 Тбит/с на расстояние 7000 километров.

Революция фотоаппарата. В 60-годах прошлого Уиллард Бойл и Джордж Смит, будущие лауреаты Нобелевской премии 2009 года работали в Bell Labs. В это время главным проектом этого исследовательского подразделения корпорации AT&T было создание запоминающего устройства на тонких магнитных пленках Buble Memory. Устройство было создано, но, после открытия гигантского магнетосопротивления, цены на жесткие диски упали и производство устройств типа Buble Memory стало нерентабельным. Но в 60-е годы проект Buble Memory шел полным ходом и в октябре 1969 года тогдашний вице-президент Bell Labs Джек Мортон решил сократить финансирование подразделения, которое занималось полупроводниковыми схемами. Чтобы не допустить этого, глава подразделения Уиллард Бойл решил срочно придумать конкурента Buble Memory. Для этого он и руководитель одного из отделов Джордж Смит 17 октября 1969 года засели в офисе Бойла и занялись интенсивным мозговым штурмом. Спустя примерно час на свет родилась идея ПЗС-матрицы (Charge-Coupled Device — CCD).

Американский физик канадского происхождения Уиллард Стерлинг Бойл (Willard Sterling Boyle) родился 8 июля 1924 года в Амхерсте (провинция Новая Шотландия, Канада).

Мать Уилларда была врачом. В трехлетнем возрасте он вместе с семьей переехал в Квебек. До 14 лет учился дома под присмотром матери. После этого поступил в Монреальский Lower Canada College, где получил среднее образование. В 1943 году из-за Второй Мировой войны прервал обучение в Университете Макгилла, чтобы присоединиться к Канадскому военно-морскому флоту. Потом вступил в ряды Британского военно-морского флота. После войны получил степень бакалавра (1947), степень магистра (1948) и степень доктора философии (1950) в Университете Макгилла.

После окончания обучения провел один год в Канадской радиационной лаборатории. Потом Бойл переехал в Кингстон (провинция Онтарио), где два года преподавал физику в Королевском канадском военном колледже.

В 1953 году начал работать в Лаборатории Белла. Через 9 лет совместно с Доном Нельсоном изобрел непрерывно работающий рубиновый лазер. В 1962 году стал директором отдела Космических исследований Беллкомм (филиал Лаборатории Белла). Во время пребывания на этой должности оказывал поддержку в разработке космической программы «Аполлон», также помогал выбирать участки для прилунения. В 1964 году Бойл вернулся в Лабораторию Белла и начал работать над разработкой интегральных схем.

В 1969 Бойл и Джордж Смит изобрели ПЗС-матрицу (сокр. «прибор с зарядовой связью»). ПЗС-матрица состоит из поликремния, отделённого от кремниевой подложки, у которой при подаче напряжения через поликремневые затворы изменяются электрические потенциалы вблизи электродов. До экспонирования, обычно подачей определённой комбинации напряжений на электроды, происходит сброс всех ранее образовавшихся зарядов, и приведение всех элементов в идентичное состояние. Далее комбинация напряжений на электродах создаёт потенциальную яму, в которой могут накапливаться электроны, образовавшиеся в данном пикселе матрицы в результате воздействия света при экспонировании. Чем интенсивнее световой поток во время экспозиции, тем больше накапливается электронов в потенциальной яме, соответственно, тем выше итоговый заряд данного пикселя. После экспонирования последовательные изменения напряжения на электродах формируют в каждом пикселе и рядом с ним распределение потенциалов, которое приводит к перетеканию заряда в заданном направлении к выходным элементам матрицы.

За это изобретение они совместно были награждены в 1973 — Медалью Стюарта Баллантайна от Университета Франклина, в 1974 — Премией Морриса Либманна, в 2006 — Премией Чарлза Старка Дрейпера, в 2009 Нобелевской премией по физике «за разработку оптических полупроводниковых сенсоров — ПЗС-матриц» .

Бойл был исполнительным директором исследований Лаборатории Белла с 1975 года до отставки в 1979 году. После отставки он поселился в Новой Шотландии в городке Уолласе, и помог своей жене Бетти открыть картинную галерею, где жена выставляла свои пейзажи. Уиилард связал свою судьбу с Бетти еще в 1947 году. Сегодня у него четверо детей, десять внуков и один правнук. В 2009 году Уиллард и Бетти переехали в Галифакс.

Уиллард Бойл скончался 9 мая 2011 года.

Американский физик Джордж Элвуд Смит (George Elwood Smith) родился 10 мая 1930 года в Уайт-Плейнс, штат Нью-Йорк.

После службы в Военно-морском флоте США поступил в Пенсильванский университет, где в 1955 получил степень бакалавра. В 1959 в Чикагском университете получил степень доктора философии. Докторская диссертация Смита состояла всего из трех страниц. Позже о своей диссертации он говорил: «Коротка, но зато очень хороша!» .

С 1959 до отставки в 1986 работал в Лаборатории Белла (Мюррей, штат Нью-Джерси), где проводил исследования по разработке лазеров и полупроводниковых устройств. За это время получил около 30 патентов и, в конечном счете, возглавил отдел по разработке интегральных схем.

В 1969 Бойл и Джордж Смит изобрели ПЗС-матрицу (сокр. «прибор с зарядовой связью»). ПЗС-матрица состоит из поликремния, отделённого от кремниевой подложки, у которой при подаче напряжения через поликремневые затворы изменяются электрические потенциалы вблизи электродов. До экспонирования, обычно подачей определённой комбинации напряжений на электроды, происходит сброс всех ранее образовавшихся зарядов, и приведение всех элементов в идентичное состояние. Далее комбинация напряжений на электродах создаёт потенциальную яму, в которой могут накапливаться электроны, образовавшиеся в данном пикселе матрицы в результате воздействия света при экспонировании. Чем интенсивнее световой поток во время экспозиции, тем больше накапливается электронов в потенциальной яме, соответственно, тем выше итоговый заряд данного пикселя. После экспонирования последовательные изменения напряжения на электродах формируют в каждом пикселе и рядом с ним распределение потенциалов, которое приводит к перетеканию заряда в заданном направлении к выходным элементам матрицы.

За это изобретение они совместно были награждены в 1973 — Медалью Стюарта Баллантайна от Университета Франклина, в 1974 — Премией Морриса Либманна, в 2006 — Премией Чарлза Старка Дрейпера, в 2009 Нобелевской премией по физике «за разработку оптических полупроводниковых сенсоров — ПЗС-матриц» .

И Смит и Бойл были очень хорошими моряками и совершили вместе множество морских путешествий. После отставки Джордж вместе со своей женой Джанет плавал вокруг света на протяжении семнадцати лет. В 2003 году пришлось бросить хобби, так как состояние здоровья Джорджа ухудшилось. Сейчас он живет в Уоретауне в штате Нью-Джерси.

Прибор с зарядовой связью. Вторая половина Нобелевской премии 2009 года была присуждена Уилларду Бойлу и Джорджу Смиту за изобретение прибора с зарядовой связью — ПЗС (по-английски CCD — charged-coupled device). Так называют полупроводниковое устройство, которое позволяет делать фотографии сразу же в цифровом формате: был световой поток — и из него сразу же получился файл с изображением. Сейчас, когда цифровая фотография стала такой привычной, теряется ощущение того, насколько революционным оказалось это открытие. А ведь еще несколько десятилетий назад цифровая обработка фотографических данных, применявшаяся сугубо в научных исследованиях, была длительной и многошаговой. Изображение фиксировалось на пленку, проявлялось, печаталось, затем сканировалось, превращалось в файл и только затем обрабатывалось. ПЗС-матрица, которая, минуя все эти этапы, сразу же давала пригодное для обсчета цифровое изображение, резко упростила и ускорила весь процесс наблюдения и обработки данных.

Прибор с зарядовой связью стал возможен благодаря двум вещам: удивительному классу материалов, которые создала природа, — полупроводникам, и смекалке исследователей, которые придумали, как в полной мере использовать их свойства. Бойл и Смит, будучи сотрудниками знаменитой лаборатории Bell Labs (на счету которой, кстати, уже семь Нобелевских премий, но которая, несмотря на это, решила в прошлом году прикрыть свою группу фундаментальных исследований), получили задание придумать эффективное полупроводниковое устройство для записи и считывания информации, в котором информация хранилась бы в виде микроскопических «облачков заряда». Цель этого задания — составить конкуренцию другому подразделению той же Bell Labs, в котором уже полным ходом шла разработка элементов памяти на основе «магнитных пузырьков». При этом ни о какой светочувствительности речь пока не шла — задача касалась только устройства для хранения и считывания информации.

В памятный день 17 октября 1969 года Бойл и Смит взялись за эту задачу и буквально в течение часа набросали на доске прототип требуемого устройства с зарядовой связью. Ключевым его элементом является простейшая МОП-структура («металл—оксид—полупроводник») — слойка, состоящая из металлического слоя и слоя полупроводника, разделенного тонкой прослойкой изолятора, обычно оксида кремния (см. рис. 5). Полупроводник при этом выбирается такой, в котором главными носителями заряда являются не электроны, а «дырки», то есть полупроводник p-типа (простейшее введение см. на страничке Электрический ток в полупроводниках). К металлическому «пятачку» подходит электрод, и на него может подаваться нужное напряжение.

Рис. 5. Схема устройства простейшей МОП-структуры (рисунок И. Иванова)

Роль «бита» в таком устройстве должно играть облачко электронов. Однако хранить его в полупроводнике p-типа просто так не получится: «дырки» тут же набегут и «поглотят» все свободные электроны. Поэтому требуется создать небольшую область, в которой дырок будет очень мало, и одновременно сделать так, чтоб электроны никуда из этой области не разбежались. Оба этих требования удовлетворяются единым махом, если на металлический электрод подать положительное напряжение. Под действием возкникшего электрического поля дырки из-за своего положительного заряда уйдут прочь из небольшой зоны, расположенной прямо под электродом, а электроны — наоборот, будут в ней «сидеть» и никуда не уходить. Образуется «ловушка для электронов», которая и хранит информацию. Если в ловушке есть электроны — в ячейке записана «единичка», если нет — «нуль».

Впрочем, тут же возникает вопрос: а как считывать эту информацию? Стоит только «отпустить» положительное напряжение, как электронное облачко исчезнет. Вот для этой цели Бойл и Смит и придумали новый метод передачи данных, названный зарядовой связью (рис. 6).

Пусть у нас есть ряд из МОП-структур — этакая одномерная ПЗС-матрица. К каждой ячейке памяти подходят электроды; кроме того, имеются и вспомогательные, не информационные МОП-структуры, разделяющие ячейки памяти. При хранении информации на информационных ячейках подано нужное напряжение, а на вспомогательных — нет. Затем разом на все соседние ячейки — скажем, справа — тоже подается нужное напряжение, и в результате каждая «ловушка для электронов» расширяется на две ячейки. Следующим шагом напряжение с исходных ячеек снимается, «ловушка для электронов» снова сжимается, но при этом она уже переместилась на шаг вправо, и все электроны послушно перетекают за ней. Таким образом, информация во всех ячейках памяти синхронно сдвинулась вправо. Так продолжается цикл за циклом, а на выходе из этой «линейки» стоит одно-единственное считывающее устройство, которое просто воспринимает приходящий на него заряд и выдает обычный цифровой электрический сигнал.

Рис. 6. Принцип работы зарядовой связи в ПЗС-матрице (изображение с сайта wikipedia.org)

Для двумерной ПЗС-матрицы принцип считывания аналогичен (см. рис. 7). Первым делом вся матрица синхронно сдвигается на один регистр вниз, затем с самой нижней линейки (и только с нее одной) считывается поступившая колонка битов так, как описано выше. После этого вся матрица снова сдвигается на один регистр вниз, с нижней линейки снова считывается информация, и так далее. В результате в очень компактной полупроводниковой конфигурации и с помощью одного-единственного устройства, детектирующего пришедший заряд, можно последовательно, строчка за строчкой, считать весь массив данных.

Рис. 7. Принцип считывания информации с двумерной ПЗС-матрицы (изображение сайта с ferra.ru)

До сих пор речь шла только о манипулировании ячейками памяти и считывании информации. Однако эту информацию вовсе не обязательно туда записывать — она могла возникнуть там самостоятельно при облучении ПЗС-матрицы светом. Так получается потому, что полупроводник обладает еще одним уникальным свойством — светочувствительностью. Световые фотоны, попадая внутрь полупроводника, порождают в нем пары электронов и дырок. Если такой процесс происходит в МОП-структуре, в пределах изначально пустой «ловушки для электронов», то электроны оседают в ней, а дырки уходят прочь. В результате с течением времени в ловушке накапливается заряд, примерно пропорциональный поглощенному световому потоку. Получается, что МОП-структура работает как светочувствительный пиксел с довольно большим диапазоном градаций яркости. И если теперь в процессе считывания устройство будет не просто детектировать отсутствие или наличие заряда в очередной ячейке памяти, но и сможет измерить накопившийся заряд, то у нас и получится самое настоящее оптическое изображение, записанной сразу в цифровом виде.

Конечно, современные ПЗС-матрицы значительно совершеннее, чем эта простейшая схема. Современная ПЗС-матрица умеет распознавать цвета, знает, как избежать переполнения «ловушек для электронов», да и сама она построена по усовершенствованной полупроводниковой технологии. Некоторые подробности можно найти в статьях Тенденции в цифровой фотографии, часть 3 и Сердце цифровой камеры: ПЗС-матрица.

Ну, а что касается применений ПЗС-матриц, то они давно вошли в нашу жизнь в виде компактных цифровых фотои видеокамер. Миниатюрные размеры ПЗС-матриц привели к революции и в медицинском деле, поскольку резко расширили как диагностические (например, при различных вариантах эндоскопии), так и оперативные возможности врача. Благодаря им развилась техника минимально инвазивной хирургии (лапароскопия). Кроме того, сейчас ПЗС-матрицы широко используются не только для детектирования оптического излучения, но и в других областях спектра, в частности они применяются в малодозных цифровых рентгеновских установках. На основе ПЗС функционируют вершинные детекторы для регистрации элементарных частиц, рождающихся на современных коллайдерах. ПЗС матрицы стоят во всех современных телескопах, включая космические. Но началось всё именно с догадки Бойла и Смита о том, как хранить и последовательно передавать «облачка электронов» в полупроводнике.

Графен. Нобелевская премия 2010 года.

В журнале Nature появилось несколько статей ученых из Манчестерского университета Великобритании и их коллег из Германии и Голландии, посвященных очередному прорыву в исследованиях тончайших углеродных материалов — графенов. Неформальные лидеры этого интернационального научного коллектива, специалисты Группы мезоскопной физики (автономного подразделения Манчестерского университета) Андре Гейм и Костя Новоселов — наши экс-соотечественники, в бытность гражданами СССР и России звавшиеся Андреем и Константином. Полученные Геймом, Новоселовым и их коллегами стабильные углеродные наноматериалы толщиной всего в один атом углерода (порядка 0,1 нм) могут стать основой будущей микроэлектроники, сменив современные кремниевые технологии.

Экспериментальное открытие графена в 2004 году все той же группой Гейма-Новоселова стало важнейшим звеном в цепочке исследований углеродных структур, начало которым было положено в 1985? м, когда ученым удалось обнаружить принципиально новые углеродные соединения — фуллерены, каркасные сферические многогранники, составленные из правильных пяти— и шестиугольников с атомами углерода в вершинах. Их существование предсказали А. А. Бочвар и Е. Н. Гальперин в 1973 году. Открывшие фуллерены британец Гарольд Крото и американцы Роберт Керл и Ричард Смолли в 1996 году получили Нобелевскую премию по химии. Название фуллерены получили от имени известного американского архитектора Букминстера Фуллера, использовавшего правильные пятии шестиугольники в сооружении куполов и сферических конструкций. К слову сказать, Гейм после эмиграции долгое время работал в голландском Университете Неймегена и, до того как всерьез увлекся графеновыми исследованиями и переехал в Великобританию, успел в 2000 году стать «шнобелевским» лауреатом в области физики за «использование магнитов для подвешивания (левитации) лягушки» (такова официальная формулировка создателей альтернативной научной премии, присудивших ему эту шуточную награду).

Графен вместо кремния. В 1991 году сотрудник японской корпорации NEC Сумио Идзима выяснил, что атомы углерода могут образовывать не только сферические, но и полые цилиндрические структуры — длиной до сотен микрометров и диаметром около нанометра. Свежеиспеченные (в буквальном смысле этого слова: эксперименты проводились при температуре порядка 4 тыс. градусов) макромолекулы получили название углеродных нанотрубок. В дальнейшем учеными были получены нанотрубки разной геометрии — как однослойные, так и многослойные, напоминающие свиток.

Два года назад на свет появился еще один принципиально новый класс наноматериалов — сверхтонкие углеродные пленки. Их первооткрыватели Андре Гейм и Константин Новоселов назвали эти особые пленки графеновыми, а составляющий их материал — графеном. Практически одновременно с группой Гейма-Новоселова к схожим результатам пришли их американские коллеги из Принстонского университета (лаборатория профессора Али Яздани). Графен, слой атомов углерода, соединенных в гексагональную (шестигранную) кристаллическую решетку, по большому счету можно считать двумерной копией трехмерного графита. Его можно представить как одну плоскость (единичный слой) графита, отделенную от объемного кристалла. Или же, как еще часто говорят, графеновые пленки — это как бы раскатанные в одной плоскости миллионы углеродных нанотрубок, сцепленных друг с другом на очень большом «листе» атомарной толщины.

Интересно отметить, что теоретическое исследование графена началось задолго до получения реальных образцов этого материала: первые публикации о возможных физических свойствах двумерных кристаллов появились в научной периодике еще в 30−40?е годы ХХ века. Однако вскоре теоретики пришли к выводу, что свободную идеальную двумерную пленку получить невозможно из-за ее нестабильности при сворачивании или скручивании, а тепловые флуктуации приводят к плавлению двумерного кристалла при любой конечной температуре. Лишь после экспериментального открытия углеродных нанотрубок ученые вновь увлеклись поисками двумерных углеродных наноструктур, благо теоретическая база для таких материалов в приложении к углеродным нанотрубкам была к тому времени уже достаточно хорошо проработана. По словам одного из ведущих мировых специалистов в этой области американца Уолта де Хиира, «нанотрубка — это тот же графен, только скрученный в цилиндр. Поэтому при изучении узких полосок графена мы можем наблюдать те же физические и химические свойства, что и у углеродных нанотрубок». Американский ученый полагает, что однослойные углеродные нанотрубки — только первая ступень в развитии наноэлектроники, а конечная почти наверняка будет базироваться на графене.

Oдин из ведущих мировых специалистов по полупроводниковым технологиям профессор Ноттингемского университета Лоуренс Ивз высказал мнение, что открытие группы Гейма — это «одно из самых ярких событий, произошедших в области физики твердого тела за последнее десятилетие».

Графеновая бумага. Новый материал на основе углерода, разработанный американскими учеными и получивший название графеновой бумаги, может оказаться не менее революционным изобретением. В работе, опубликованной в Nature, ученые из Северо-Западного университета в США под руководством профессора Родни Руоффа (Rodney Ruoff) сообщили о синтезе нового материала на основе графена, который может найти многочисленные применения. Ученым удалось получить т.н. графеновую бумагу, состоящую из нескольких слоев сшитых между собой листов оксида графена. У графена уникальные оптические, электрические, термические и механические свойства. Материалы на основе графена будут исключительно прочными и долговечными, уступая, возможно, лишь алмазу. Руофф и его коллеги провели реакцию окисления графита. Полученный оксид при добавлении воды образует суспензию оксида графена. При последующем удалении воды простым фильтрованием слои оксида графена формируют на фильтре диаметром в 5 дюймов (12,7 см) слой «бумаги» толщиной в 100 микрон. Напомним, что и обычная целлюлозная бумага получается аналогичным способом. Интересно, что американские ученые предложили и несколько способов регулировать свойства графеновой бумаги. Основным инструментом здесь является степень окисления графита. По мере увеличения степени окисления проводящий материал становится сначала полупроводником, а затем и диэлектриком. Это открывает большие возможности для создания различных электротехнических материалов, в том числе наносимых на стеклянные поверхности. Можно будет использовать графеновую бумагу при создании солнечных элементов и различных вариантов «электронной бумаги». Среди других возможных применений Руофф называет, в первую очередь, различные композиционные материалы, применяемые в авиации, автомобильной промышленности, строительстве.

Графемн (англ. graphene) — слой атомов углерода, соединённых посредством spІ связей в гексагональную двумерную кристаллическую решётку, с постоянной решетки 0,246 нм. Его можно представить как одну плоскость графита, отделённую от объёмного кристалла. По оценкам, графен обладает большой механической жёсткостью и хорошей теплопроводностью (~1 ТПа и ~5Ч10і Вт· м?1·К?1 соответственно). Важнейшей особенностью электронных свойств графена является нулевая эффективная масса носителей, как электронов, так и дырок, а также нулевая ширина запрещенной зоны. Высокая подвижность носителей тока при комнатной температуре делает его перспективным материалом для использования в самых различных приложениях, в частности, как будущую основу наноэлектроники и возможную замену кремния в интегральных микросхемах.

Основной из существующих в настоящее время способов получения графена основан на механическом отщеплении или отшелушивании слоёв графита. Он позволяет получать наиболее качественные образцы с высокой подвижностью носителей. Этот метод не предполагает использования масштабного производства, поскольку это ручная процедура. Другой известный способ — метод термического разложения подложки карбида кремния гораздо ближе к промышленному производству. Поскольку графен впервые] был получен только в 2004 году, он ещё недостаточно хорошо изучен и привлекает к себе повышенный интерес.

Данный материал не является просто кусочком других аллотропных модификаций углерода: графита, алмаза — из-за особенностей энергетического спектра носителей он проявляет специфические, в отличие от других двумерных систем, электрофизические свойства.

Идеальная кристаллическая структура графена представляет собой гексагональную кристаллическую решётку.

Получение графена. Графен является двумерным кристаллом, состоящим из одиночного слоя атомов углерода, собранных в гексагональную решётку. Его теоретическое исследование началось задолго до получения реальных образцов материала, поскольку из графена можно собрать трёхмерный кристалл графита. Графен является базой для построения теории этого кристалла. Графит является полуметаллом, и как было показано в 1947 году П. Воллесом, в зонной структуре графена также отсутствует запрещённая зона, причём в точках соприкосновения валентной зоны и зоны проводимости энергетический спектр электронов и дырок линеен как функция волнового вектора. Такого рода спектром обладают безмассовые фотоны и ультрарелятивистские частицы, а также нейтрино. Поэтому говорят, что эффективная масса электронов и дырок в графене вблизи точки соприкосновения зон равна нулю. Но здесь стоит заметить, что, несмотря на сходство фотонов и безмассовых носителей, в графене существует несколько существенных различий, делающих носители в графене уникальными по своей физической природе, а именно: электроны и дырки являются фермионами, и они заряжены. В настоящее время аналогов для этих безмассовых заряженных фермионов среди известных элементарных частиц нет.

Несмотря на такие специфические особенности, экспериментального подтверждения эти выводы не получили до 2005 года, поскольку не удавалось создать графен. Кроме того, ещё раньше было доказано теоретически, что свободную идеальную двумерную плёнку получить невозможно из-за нестабильности относительно сворачивания или скручивания. Тепловые флуктуации приводят к плавлению двумерного кристалла при любой конечной температуре.

Интерес к графену появился снова после открытия углеродных нанотрубок, поскольку вся первоначальная теория строилась на простой модели нанотрубки как развёртки цилиндра. Поэтому теория для графена в приложении к нанотрубкам хорошо проработана.

Попытки получения графена, прикреплённого к другому материалу, начались с экспериментов, использующих простой карандаш, и продолжились с использованием атомно-силового микроскопа для механического удаления слоёв графита, но не достигли успеха. Использование графита с внедрёнными (интеркалированный графит) в межплоскостное пространство чужеродными атомами (используется для увеличения расстояния между соседними слоями и их расщепления) также не привело к результату.

В 2004 году русскими учёными была опубликована работа в журнале Science, где сообщалось о получении графена на подложке окисленного кремния. Таким образом, стабилизация двумерной плёнки достигалась благодаря наличию связи с тонким слоем диэлектрика SiO2 по аналогии с тонкими плёнками, выращенными с помощью МПЭ. Впервые были измерены проводимость, эффект Шубникова — де Гааза, эффект Холла для образцов, состоящих из плёнок углерода с атомарной толщиной.

Метод отшелушивания является довольно простым и гибким, поскольку позволяет работать со всеми слоистыми кристаллами, то есть теми материалами, которые представляются как слабо (по сравнению с силами в плоскости) связанные слои двумерных кристаллов. В последующей работе авторы показали, что его можно использовать для получения других двумерных кристаллов: BN, MoS2, NbSe2, Bi2Sr2CaCu2Ox.

Слои интеркалированного графита можно легко отделить друг от друга Кусочки графена получают при механическом воздействии на высокоориентированный пиролитический графит или киш-графит. Сначала тонкие слои графита помещают между липкими лентами и отщепляют раз за разом тонкие слои графита, пока не будет получен достаточно тонкий слой (среди многих плёнок могут попадаться и однослойные, которые и представляют интерес). После отшелушивания скотч с тонкими плёнками графита и графена прижимают к подложке окисленного кремния. При этом трудно получить плёнку определённого размера и формы в фиксированных частях подложки (горизонтальные размеры плёнок составляют обычно около 10 мкм). Найденные с помощью оптического микроскопа (они слабо видны при толщине диэлектрика 300 нм) плёнки подготавливают для измерений. С помощью атомно-силового микроскопа определяют реальную толщину плёнки графита (она может варьироваться в пределах 1 нм для графена). Используя электронную литографию и реактивное плазменное травление, задают форму плёнки для электрофизических измерений (холловский мост для магнитотранспортных измерений).

Кусочки графена также можно приготовить из графита, используя химические методы. Для начала микрокристаллы графита подвергаются действию смеси серной и соляной кислот. Графит окисляется, и на краях образца появляются карбоксильные группы графена. Их превращают в хлориды при помощи тионилхлорида. Затем под действием октадециламина в растворах тетрагидрофурана, тетрахлорметана и дихлорэтана они переходят в графеновые слои толщиной 0,54 нм. Этот химический метод не единственный, и, меняя органические растворители и химикаты, можно получить нанометровые слои графита.

В литературе описан также химический метод получения графена, встроенного в полимерную матрицу. Следует упомянуть ещё два метода: радиочастотное плазмохимическое осаждение из газовой фазы (англ. PECVD), рост при высоком давлении и температуре (англ. HPHT). Из этих методов только последний можно использовать для получения плёнок большой площади.

Если кристалл пиролитического графита и подложку поместить между электродами, то, как показано в работе, можно добиться того, что кусочки графита с поверхности, среди которых могут оказаться плёнки атомарной толщины, под действием электрического поля могут перемещаться на подложку окисленного кремния. Для предотвращения пробоя (между электродами прикладывали напряжение от 1 до 13 кВ) между электродами также помещали тонкую пластину слюды.

Существует также несколько сообщений, посвящённых получению графена, выращенного на подложках карбида кремния SiC (0001). Графитовая плёнка формируется при термическом разложении поверхности подложки SiC (этот метод получения графена гораздо ближе к промышленному производству), причём качество выращенной плёнки зависит от того, какая стабилизация у кристалла: C-стабилизированная или Si-стабилизированная поверхность — в первом случае качество плёнок выше. Та же группа исследователей показала, что, несмотря на то, что толщина слоя графита составляет больше одного монослоя, в проводимости участвует только один слой в непосредственной близости от подложки, поскольку на границе SiC-C из-за разности работ выхода двух материалов образуется нескомпенсированный заряд. Свойства такой плёнки оказались эквивалентны свойствам графена.

Дефекты. Идеальный графен состоит исключительно из шестиугольных ячеек. Присутствие пятии семиугольных ячеек будет приводить к различного рода дефектам.

Наличие пятиугольных ячеек приводит к сворачиванию атомной плоскости в конус. Структура с 12 такими дефектами одновременно известна под названием фуллерен. Присутствие семиугольных ячеек приводит к образованию седловидных искривлений атомной плоскости. Комбинация этих дефектов и нормальных ячеек может приводить к образованию различных форм поверхности.

Проводимость. Теоретически показано, что основное ограничение на подвижность электронов и дырок в графене (на Si подложке) возникает из-за заряженных примесей в диэлектрике (SiO2), поэтому сейчас ведутся работы по получению свободновисящих плёнок графена, что должно увеличить подвижность до 2Ч106 смІВ?1c?1. В настоящее время максимальная достигнутая подвижность составляет 2Ч105 смІВ?1c?1; она была получена в образце, подвешенном над слоем диэлектрика на высоте 150 нм (часть диэлектрика была удалена с помощью жидкостного травителя). Образец с толщиной в один атом поддерживался при помощи широких контактов. Для улучшения подвижности образец подвергался очистке от примесей на поверхности посредством пропускания тока, который нагревал весь образец до 900 К в высоком вакууме.

Идеальную двумерную плёнку в свободном состоянии нельзя получить из-за её термодинамической нестабильности. Но если в плёнке будут дефекты или она будет деформирована в пространстве (в третьем измерении), то такая «неидеальная» плёнка может существовать без контакта с подложкой. В эксперименте [65] с использованием просвечивающего электронного микроскопа было показано, что свободные плёнки графена существуют и образуют поверхность сложной волнистой формы, с латеральными размерами пространственных неоднородностей около 5—10 нм и высотой 1 нм. В статье [66]было показано, что можно создать свободную от контакта с подложкой плёнку, закреплённую с двух краёв, образуя, таким образом, наноэлектромеханическую систему. В данном случае подвешенный графен можно рассматривать как мембрану, изменение частоты механических колебаний которой предлагается использовать для детектирования массы, силы и заряда, то есть использовать в качестве высокочувствительного сенсора.

Подложка кремния с диэлектриком, на котором покоится] графен, должна быть сильно легирована, чтобы её можно было использовать в качестве обратного затвора, при помощи которого можно управлять концентрацией и даже изменять тип проводимости. Поскольку графен является полуметаллом, то приложение положительного напряжения к затвору приводит к электронной проводимости графена, и напротив — если приложить отрицательное напряжение, то основными носителями станут дырки, поэтому в принципе нельзя обеднить полностью графен от носителей. Заметим, что если графит состоит из нескольких десятков слоёв, то электрическое поле достаточно хорошо экранировано, как и в металлах, огромным количеством носителей в полуметалле.

В идеальном случае, когда отсутствует легирование и затворное напряжение равно нулю, не должно быть носителей тока, что, если следовать наивным представлениям, должно приводить к отсутствию проводимости. Но как показывают эксперименты и теоретические работы, вблизи дираковской точки или точки электронейтральности для дираковских фермионов существует конечное значение проводимости, хотя величина минимальной проводимости зависит от метода расчёта. Эта идеальная область не изучена просто потому, что нет достаточно чистых образцов. В действительности все плёнки графена соединены с подложкой, и это приводит к неоднородностям, флуктуациям потенциала, что ведёт к пространственной неоднородности типа проводимости по образцу, поэтому даже в точке электронейтральности концентрация носителей теоретически не меньше чем 1012 см?2. Здесь проявляются отличие от обычных систем с двумерным электронным или дырочным газом, а именно отсутствует переход металл-диэлектрик.

Возможные применения графена. Считается, что на основе графена можно сконструировать баллистический транзистор. В марте 2006 года группа исследователей из технологического института штата Джорджии заявила, что ими был получен полевой транзистор на графене, а также квантово-интерференционный прибор. Исследователи полагают, что благодаря их достижениям в скором времени появится новый класс графеновой наноэлектроники с базовой толщиной транзисторов до 10 нм. Данный транзистор обладает большим током утечки, то есть нельзя разделить два состояния с закрытым и открытым каналом.

Использовать напрямую графен при создании полевого транзистора без токов утечки не представляется возможным благодаря отсутствию запрещённой зоны в этом материале, поскольку нельзя добиться существенной разности в сопротивлении при любых приложенных напряжениях к затвору, то есть не получается задать два состояния пригодных для двоичной логики: проводящее и непроводящее. Сначала нужно создать каким-нибудь образом запрещённую зону достаточной ширины при рабочей температуре (чтобы термически возбуждённые носители давали малый вклад в проводимость). Один из возможных способов предложен в работе. В этой статье предлагается создать тонкие полоски графена с такой шириной, чтобы благодаря квантово-размерному эффекту ширина запрещённой зоны была достаточной для перехода в диэлектрическое состояние (закрытое состояние) прибора при комнатной температуре (28 мэВ соответствует ширине полоски 20 нм). Благодаря высокой подвижности (имеется в виду, что подвижность выше чем в кремнии, используемом в микроэлектронике) 104 В· см?1·с?1 быстродействие такого транзистора будет заметно выше. Несмотря на то, что это устройство уже способно работать как транзистор, затвор к нему ещё не создан.

Другая область применения предложена в статье и заключается в использовании графена в качестве очень чувствительного сенсора для обнаружения отдельных молекул химических веществ, присоединённых к поверхности плёнки. В этой работе исследовались такие вещества, как NH3, CO, H2O, NO2. Сенсор размером 1 мкм Ч 1 мкм использовался для детектирования присоединения отдельных молекул NO2 к графену. Принцип действия этого сенсора заключается в том, что разные молекулы могут выступать как доноры и акцепторы, что в свою очередь ведёт к изменению сопротивления графена. Теоретически исследовалось влияние различных примесей на проводимость графена. Было показано, что NO2 молекула является хорошим акцептором из-за своих парамагнитных свойств, а диамагнитная молекула N2O4 создаёт уровень близко к точке электронейтральности. В общем случае примеси, молекулы которых имеют магнитный момент (неспаренный электрон), обладают более сильными легирующими свойствами.

Ещё одна перспективная область применения графена — его использование для изготовления электродов в ионисторах (суперконденсаторах) для использования их в качестве перезаряжаемых источников тока. Опытные образцы ионисторов на графене имеют удельную энергоёмкость 32 Вт· ч/кг, сравнимую с таковой для cвинцово-кислотных аккумуляторов (30?40 Вт· ч/кг).

Конденсат Бозе — Эйнштейна.

Нобелевские лауреаты 2001 года добавили к четырем агрегатным состояниям вещества — плазме, газообразному, жидкому и твердому еще одно. Конденсат Бозе — Эйнштейна — агрегатное состояние материи, основу которой составляют охлаждённые до температур, близких к абсолютному нулю бозоны. В таком переохлаждённом состоянии большее число атомов оказывается в своих минимально возможных квантовых состояниях и квантовые эффекты начинают проявляться на макроскопическом уровне.

Теоретически предсказан как следствие из законов квантовой механики Альбертом Эйнштейном на основе работы Шатьендраната Бозе, где строилась статистическая механика для фотонов. Будучи не в состоянии самостоятельно опубликовать работу, Бозе отослал ее Эйнштейну, который организовал перевод статьи на немецкий язык и ее публикацию в 1925 году. Кроме того, в своей статье Эйнштейн развил и обобщил теорию Бозе на случай частиц имеющих массу. (Примечательно, что рукопись этой работы Эйнштейна долгое время считалась утерянной и была обнаружена в библиотеке Лейденского университета в 2005 г.) Результатом усилий Бозе и Эйнштейна стала концепция Бозе газа, подчиняющегося статистике Бозе — Эйнштейна, которая описывает статистическое распределение тождественных частиц с целым спином, называемых бозонами. Бозоны, которыми являются, например, как отдельные элементарные частицы — фотоны, пионы и другие мезоны, так целые атомы, могут находиться в одинаковых квантовых состояниях. Это кардинально отличает их от фермионов, для которых по принципу Паули подобное запрещено. Эйнштейн показал, что охлаждение атомов — бозонов до очень низких температур заставит их перейти или сконденсироваться в наинизшее возможное квантовое состояние. Результатом такой конденсации станет возникновение новой формы вещества. Для того чтобы произошла конденсация Бозе-Эйнштейна, плотность атомов в фазовом пространстве n (выраженная в естественных единицах) должна быть больше некоторой величины порядка единицы. Данное условие может быть выражено также через длину волны де Бройля лD, которая должна быть достаточно большой, чтобы перекрываться с лD соседних атомов Таким образом, необходимо чтобы.

n? 2, 61 лD -3 = 2,61 p3 h-3.

Переход возникает ниже критической температуры, которая для однородного трёхмерного газа, состоящего из невзаимодействующих частиц спина s и массы m, определяется соотношением:

Tc = 3.31 n2/3 h2 /m kB (2s+1)2/3.

где: Tc — критическая температура, n — концентрация частиц, h — постоянная Планка, kB — постоянная Больцмана.

Предсказание Бозе-Эйнштейна конденсации не воспринималось слишком серьезно даже самим Эйнштейном, пока Фриц Лондон и Ласло Тиса не воскресили эту идею в середине 30-х годов как возможный механизм, объясняющий сверхтекучесть в жидком гелии-4. В их работе конденсация Бозе-Эйнштейна была использована для демонстрации квантовых свойств в макроскопических масштабах. Впоследствии подобные свойства были обнаружены в сверхпроводниках, сверхтекучем гелии-3 и в оптических квантовых генераторах — лазерах. Тем самым были реализованы макроскопические квантовые состояния трех типов.

Однако, первый «истинный» конденсат Бозе-Эйнштейна был получен семьдесят лет спустя после предсказании Эйнштейна в 1995 году. Это было сделано Эриком Корнеллом и Карлом Виманом в Университете штата Колорадо в лаборатории Boulder NIST-JILA. Учёные использовали газ из атомов рубидия, охлаждённый до 170 нанокельвин или -273.14 999 983°C. За эту работу им, совместно с Вольфгангом Кеттерле из Массачусетсского технологического института, была присуждена Нобелевская премия по физике 2001 года.

Конденсаты — это чрезвычайно низкотемпературные жидкости со свойствами, которые в настоящий момент не до конца понятны. Данное явление является непосредственным проявлением законов квантовой механики, согласно которым система может получать энергию только дискретно. Если система находится при настолько низких температурах, что пребывает в наинизшем энергетическом состоянии, то она уже не в состоянии уменьшить свою энергию даже за счёт трения. В частности, жидкость без трения легко преодолевает гравитационное притяжение благодаря молекулярному сцеплению жидкости со стенками сосуда, и занимает наиболее выгодное положение — вне сосуда.

Эрик Аллин Корнелл (Eric Allin Cornell) — американский физик, родился 19 декабря 1961 года в Пало-Альто, (США) в семье профессора строительных наук в МТИ и учительницы английского языка. Изучал физику в Стэнфордском университете и после получения в МТИ в 1985 году диплома, работал в Кембридже — городе, в котором он жил с двух лет. Работал в группе Дэйва Притчарда над определением массы іHe и 3H. В 1990 году защитил докторскую диссертацию. Интересно отметить, что после ухода Корнелла из МТИ в группу Притчарда пришёл Вольфганг Кеттерле, вместе с которым Корнелл разделил позднее Нобелевскую премию. Корнелл подал заявку на место постдока в группу Дэйва Винеланда в NIST, однако не получил одобрения. Вместо этого его порекомендовали в группу Карла Вимана, который работал в NIST в городе Болдер в штате Колорадо. После окончания двухлетней постдоковской стипендии он остался там работать ассистентом профессора. В 1995 году становится профессором, с 1994 года является членом NIST.

В 2001 году Корнелл получил Нобелевскую премию по физике. совместно с Вольфгангом Кеттерле и Карл Виманом «за достижения в изучении процессов конденсации Бозе — Эйнштейна в среде разряженных газов и за начальные фундаментальные исследования характеристик конденсатов». После успешного получения конденсата Бозе-Эйнштейна занимается исследованием его свойств.

Член американского физического общества (1997), американского оптического общества (2000), национальной академии наук США (2000).

Награда имени Самюэля Уэсли Страттона, NIST, 1995. Премия имени Ньюкомба Кливленда, американская ассоциация содействия науке, 1995;96. Золотая медаль министерства коммерции, 1996. Премия имени Фритца Лондона в области физики низких температур, 1996. Премия Карла Цейса, Фонд Эрнста Аббе, 1996. Премия имени Алана Т. Ватермана от национального научного фонда, США, 1997. Премия Раби по атомной физике, молекулярной физике и оптике, американское физическое общество 1997. Медаль Лоренца, Нидерландская королевская академия наук, 1998. Медаль Бенджамина Франклина по физике, 1999. Премия Р. В. Вуда, оптическое общество США, 1999.

В 1995 году Корнелл женился на Целесте Ландри, с которой был знаком более 10 лет, ещё в Стэнфорде. У них две дочери — Элиза и София.

В 2004 году ему ампутировали левую руку по причине заражения некротирующим фасциитисом. В 2006 году он снова приступил к работе.

Вольфганг Кеттерле (Wolfgang Ketterle) немецкий физик, родился 21 октября 1957 года в Гейдельберге. Вольфганг Кеттерле был вторым ребёнком в семье из трёх детей. Закончил курсы подготовки к университету в гимназии имени Бунзена в Гейдельберге. В 1976 году приступает к изучению физики в Гейдельбергском университете. После преддиплома переходит в Мюнхенский технический университет, где начинает заниматься теоретической физикой. В 1982 году защищает диплом по теме «Релаксации спина в неупорядоченных материалах» и переходит в институт квантовой оптики общества Макса Планка в Гархинге. Впоследствии переходит в Мюнхенский университет имени Людвига Максимилиана в группу Герберта Вальтера, где в 1986 году защищает диссертацию по теме «Спектроскопия гидридов гелия и трёхатомных молекул водорода». После пребывания в Гархинге Кеттерле возвращается в Гейдельберг, где на кафедре Юргена Вольфрума проводит исследования по моторам внутренного сгорания. В 1990 году он снова меняет область деятельности и переселяется в США, чтобы в группе Дэйва Притчарда работать над задачей лазерного охлаждения. В 1993 году он присоединился к физическому факультету МТИ, где до сих пор занимает кафедру физики, спонсируемую фондом имени Джона Мак-Артура.

Во время аспирантуры Кеттерле удалось доказать существование гидрида гелия (HeH) и впервые получить спектры этой молекулы. Во время постдоковской работы в Гархинге ему удалось, кроме того, полностью объяснить эти спектры. Позднее Герберт Вальтер описал его работу одним предложением: «Он создал новую область физики и сам же её убил».

В 1995 году Кеттерле был одним их первых, кому удалось создать конденсат Бозе — Эйнштейна. В 1997 году он продемонстрировал атомный лазер. В 2001 году, совместно с Эриком Корнеллом и Карлом Виманом был удостоен Нобелевской премии по физике «за достижения в изучении процессов конденсации Бозе — Эйнштейна в среде разряженных газов щелочных металлов и за начальные фундаментальные исследования характеристик конденсатов».

Другие награды: 1996 годСтипендия Давила и Люси Паккард. 1997годПремия имени Раби, Американское физическое общество. 1997годПремия имени Густава Герца, Немецкое физическое общество. 1998 годНаграда журнала Дискавер за технические инновации. 1999 годПремия имени Фритца Лондона по физике низких температур. 1999годПремия имени Данни Хайнемана, Гёттингенская академия наук. 2000 годМедаль имени Бенджамина Франклина по физике. 2002годФедеральный крест заслуг (Лента и Звезда) ФРГ. 2004 год-Награда имени Киллиана МТИ.

В 1986 году Кеттерле женился на Габриелле Зауэр, с которой он был знаком ещё со школьной скамьи. У него три ребёнка — Йонас (1986), Йоганна (1988) и Хольгер (1992).

Карл Виман (Carl Wieman) американский физик, родился 26 марта 1951 года в Корвалисе США. Карл Виман был четвёртым из пяти детей в семье Н. Орра Вимана и Элисон Виман. Детство провёл в Орегоне, США. Незадолго до того, как Виман перешёл в седьмой класс школы, семья переехала в Корвалис, с тем, чтобы позволить детям посещать более хорошие школы. Несмотря на то, что Корвалис насчитывает всего 25 тысяч жителей, в нём находится университет штата Орегон.

После окончания средней школы он становится студентом Массачусетского технологического института. После прохождения общего курса лекций он переходит в Стэнфордский университет на кафедру Теодора Хенша, у которого в 1977 году защищает диссертацию. После этого он работает в университете Мичигана в городе Энн Арбор и становится там в 1979 году ассистентом профессора. Здесь он знакомится с Сарой Гильберт, которая студенткой работала вместе с ним. В 1984 году он переходит в университет Колорадо и женится на Саре Гильберт, которая к тому времени уже тоже защитила диссертацию. В 1987 году он становится профессором физики в университете Колорадо.

В группе Хенша Виман занимался прецезионными измерениями длин волн спектральных линий водорода. Темой его диссертации было измерения лэмбовского сдвига уровня 1s, и изотопного сдвига перехода 1s-2s при помощи поляризационной спектроскопии. На основе своего опыта в области прецезионной спектроскопии он хотел занятся в Мичиганском университете измерениями нарушения чётности в атомах, предсказанного теорией электрослабого взаимодействия. Очень быстро он осознал, что для этих целей более подходит цезий, а не водород. Успешные измерения в 1985 года принесли ему признание научного сообщества. С 1984 года Виман занимался также лазерным охлаждением и лазерными ловушками. Сначала он интересовался этим только в связи с улучшением своего метода измерения. Однако вскоре он осознал, что таким образом можно исследовать поведение атомов при очень низких температурах и произвести конденсацию Бозе — Эйнштейна. В 1995 году, совместно с Эриком Корнеллом, это ему удалось. За данный результат он был удостоен в 2001 году Нобелевской премии по физике (совместно с Эриком Корнеллом и Вольфгангом Кеттерле). Член национальной академии наук США (1995), американской академии искусств и наук (1998). Стипендия Гугенхейма, 1990—1991. Премия имени Е. О. Лоуренса по физике, 1993. Медаль Эйнштейна за лазерные науки от общества оптической и квантовой электроники, 1995 Премия Фрица Лондона по физике низких температур от международного союза теоретической и прикладной физики, 1996. Премия Ньюкомба-Кливленда от американской ассоциации по развитию науки, 1996. Научный приз фонда Бонфилс-Стаантона, 1997. Медаль Лоренца от королевской Голландской академии Искусств и Наук, 1998. Приз Шавлова за лазерные науки от американского физического общества, 1999. Медаль Бенджамина Франклина по физике от института Франклина, 2000.

Первые год-два эти эксперименты являлись шедеврами экспериментального искусства, и только в последнее время конденсат Бозе-Эйнштейна начал получаться в различных лабораториях мира — тогда-то и посыпался шквал экспериментальных и теоретических работ о всевозможных явлениях, связанным с ним. Эта лавина работ (и новых открытий!) продолжается и сейчас. Можно сказать, ученые наконец-то нашли долгожданную золотую квантовую жилу.

Вот некоторые из последних достижений в этой области:

Очень интересными оказались недавние эксперименты, проведенные в Университете Колорадо по завихрению конденсата Бозе-Эйнштейна. В силу своих квантовых свойств, вихри в конденсате могут, грубо говоря, вращаться только с определенной угловой скоростью, т. е. угловой момент такого вихря квантуется. Такие квантованные вихри, конечно, предсказывались теорией, однако создание подобных микроскопических квантовых обьектов вручную оказалось делом очень трудным. Дело в том, что здесь необходимо хирургически точное, выверенное воздействие на конденсат, не разрушающее его, и не привносящее лишнюю энергию (все-таки температура атомного сгустка составляет доли микрокельвина!).

В данных экспериментах таким микроскопическим скальпелем служил сфокусорованный лазерный луч. Экспериментаторы сначала получали конденсат Бозе-Эйнштейна атомов двух сортов, отличавшихся внутренним состоянием. Воздействуя на атомы одного сорта лазером поочередно в разных секторах атомного сгустка, ученые заставляли атомы второго сорта двигаться самостоятельно — возникал вихрь. После того, как внешнее воздействие прекращалось, вихрь продолжал вращаться со скоростью один оборот за 3 секунды. Это отвечало ровно тому минимальному значению углового момента, которое еще разрешается квантовой механикой.

Другая группа, на этот раз из MIT, проделала еще более простой (на первый взгляд) эксперимент — просто двигала сфокусированный лазерный луч сквозь сгусток атомов. Имея очень небольшую мощность, лазер просто вытеснял атомы из фокуса, делая «дырку» размером 13 мкм в БК шириной 45 мкм, и больше сам по себе никак на конденсат не воздействовал. Однако, когда эта дырка начинала двигаться через атомный сгусток, конденсат должен был ее обтекать — и тут-то и начинались интересные эффекты. При достаточно больших скоростях движения (v > 2 мм/сек), такое вынужденное движение атомов заставляло сгусток нагреваться. Явление вполне понятное — если вы погрузите какой-нибудь предмет в воду и начнете его там двигать, он будет заставлять воду двигаться, будет передавать ей часть своей энергии, и тем самым ее нагревать. Для атомного сгустка это должно приводить к частичному или полному разрушению бозе конденсата, т. е. переходу его в обычное несконденсированное состояние, что и наблюдалось в эксперименте. Однако, когда скорость движения дырки была меньше 2 мм/сек, никакого нагревания не происходило вообще. Это означало, что конденсат обтекал дырку когерентно, как единый квантовый объект, и никакой энергии ему не передавалось. Можно говорить, что при таких скоростях дырка не испытывает никаких сил вязкого трения со стороны конденсата (и конденсат со стороны дырки — тоже), явление знакомое ученым по поведению гелия-4 при очень низких температурах. По сути, это есть первое прямое наблюдение явления сверхтекучести в разреженном атомном конденсате Бозе-Эйнштейна.

Еще одним интересным классом экспериментов является наблюдение так называемого резонанса Фешбаха, также впервые произведенное в MIT. Оказывается, что в присутствии внешнего магнитного поля, меняется взаимодействие между атомами в конденсате Бозе-Эйнштейна, причем можно менять не только силу взаимодействя, но даже и то, будут частицы отталкиваться или притягиваться. Но в конденсате Бозе-Эйнштейна изменение микроскопических свойств приводит к качественным изменениям всего сгустка в целом. Оказывается, при определенном внешнем магнитном поле атомы начинают образовывать связаные состояния — своего рода молекулы. Они существуют в течение некоторого времени, затем распадаются опять — но в рамках всего атомного сгустка происходит качественное изменение: в каждый момент времени значительная часть атомов находится в состоянии молекул.

В результате вместо одного конденсата Бозе-Эйнштейна — стало два, конденсат атомов и конденсат молекул, две одновременно сосуществующие фазы газа атомов при сверхнизких температурах.

Важно отметить, что для проведения этих наблюдений было крайне важным использование чисто оптической ловушки. Использование магнитной ловушки для удержания атомов моментально связало бы экспериментаторам руки, поскольку именно подстройкой внешнего магнитного поля и удавалось модифицировать межатомное взаимодействие.

Мораль всех этих экспериментов проста, но крайне важна: экспериментаторы научились контролировать и изменять в лабораторных условиях свойства и структуру квантовых газов в микроскопических и макроскопических масштабах. Перспективы такого «тотального контроля» крайне интригующи: уже сейчас подобное воздействие применяется в первых опытных образцах квантовых компьютеров и атомных лазеров.

Первыми получили конденсат Бозе-Эйнштейна американцы. Немец Кеттерле был разочарован, узнав, что Корнелл и Вейман его опередили. Однако решил продолжать собственные эксперименты. На то были, впрочем, особые причины. Во-первых, он шел своим путем. Во-вторых, в своих опытах он использовал атомы натрия, а не рубидия. И спустя три месяца он тоже добился желаемого результата. Причем ему удалось получить в 100 раз больше конденсата, чем конкурентам. Кроме того, на основе конденсата Бозе — Эйнштейна он решил построить атомный лазер. И создал его в 1996 году.

В отличие от света, испускаемого обычной лампочкой, лазер, как известно, испускает когерентное излучение. То есть все испускаемые им фотоны имеют одну и ту же энергию, длину и фазу волны. Если вместо света использовать синхронизированные атомы — как раз такие, что составляют конденсат Бозе — Эйнштейна, — можно говорить об атомном лазере, обладающем большей эффективностью, нежели обычный.

Между оптическим и атомным лазерами есть как аналогии, так и различия. Аналогом активной среды оптического лазера в атомном выступает бозе-конденсат из ультрахолодных атомов. В обоих случаях внешняя энергия приводит к тому, что из активной среды вырывается когерентное излучение. Но происходит это не в результате спонтанного излучения атомов активной среды, как в оптическом лазере, а вследствие более сложного взаимодействия атомов, которое приводит к образованию своеобразных капель «жидкого света». Они обладают чуть меньшей скоростью, нежели фотоны, зато намного большей энергией.

Использовать вместо луча света пучок атомов предлагалось еще четверть века тому назад, когда в Америке началась разработка программы «Звездные войны». Такая замена резко бы увеличила мощность луча, что было необходимо для оружия, подготавливаемого для войн в космосе. Но интересен такой лазер не только мощностью.

Как предполагают ученые, с помощью атомного лазера можно будет вести изготовление микросхем с такими возможностями, о которых мы сегодня и мечтать не смеем. Ведь новый инструмент позволяет распоряжаться атомами поштучно, выстраивая из них, словно из кирпичей, какие угодно ансамбли. А совсем недавно в Институте квантовой оптики имени М. Планка был создан микрочип величиной в почтовую марку. Он заключен в резервуар и содержит миниатюрную оптическую ловушку, которая позволяет получать конденсат Бозе — Эйнштейна. Вероятно, такой микрочип может стать основой компьютеров шестого поколения с невиданными ранее возможностями по быстродействию.

Физикам из США впервые удалось также создать новое состояние вещества — фермионный конденсат. Конденсат состоит из пар фермионных атомов при сверхнизкой температуры. По мнению одного из участников разработки Деборы Джин, это поможет понять природу сверхпроводимости и сверхтекучести, а также создать сверхпроводники, работающие при комнатных температурах.

Американские ученые предприняли попытку получить своего рода молекулы из атомов-фермионов при глубоком охлаждении. Отличие от настоящих молекул заключалось в том, что между атомами не было химической связи — просто они двигались вместе, коррелированным образом. Связь между атомами оказалась даже прочнее, чем между электронами в куперовских парах. У образованных пар фермионов суммарный спин уже не кратен ½, следовательно, они уже ведут себя как бозоны и могут образовывать бозе-конденсат с единым квантовым состоянием. В ходе эксперимента охлаждали газ из атомов калия-40 до 300 нанокельвинов, при этом газ заключался в так называемую оптическую ловушку. Затем наложили внешнее магнитное поле, с помощью которого удалось изменить природу взаимодействий между атомами — вместо сильного отталкивания стало наблюдаться сильное притяжение. При анализе влияния магнитного поля удалось найти такое его значение, при котором атомы стали вести себя, как куперовские пары электронов. На следующем этапе эксперимента ученые предполагают получить эффекты сверхпроводимости для фермионного конденсата.

Управление квантовыми системами. Нобелевская премия 2012 года. В течение 2012 года большая часть физического сообщества не сомневалась, Нобелевская премия за этот год будет присуждена первооткрывателям бозона Хиггса. (При том, что в существовании самого бозона Хиггса многие не сомневались с работ П. Хиггса 1964 года или немногим более поздних работ А. Салама и С. Вейнберга, удостоенных Нобелевской премии по физике за 1974 год). Однако, 9 октября 2012 года Нобелевский комитет объявил о присуждении Нобелевской премии по физике Сержу Арошу и Дэвиду Вайнленду за «прорывные экспериментальные методы, которые сделали возможными измерение отдельных квантовых систем и управление ими».

Серж Арош родился 11 сентября 1944 года в Касабланке, Марокко.

Мать сержа — уроженка Одессы Валентина Арош (урождённая Рублёва, 1921—1998) — работала учительницей, отец — Альбер Арош (1920—1998, родом из Марракеша) — был адвокатом. Его бабушка и дедушка (Исаак и Эстер Арош) возглавляли школу Всемирного еврейского союза Йcole de l’Alliance Israйlite. Бабушка и дедушка по материнской линии, врачи Александр Рублёв и София Фромштейн, покинув в начале 1920;х годов СССР поселились в Париже, а оттуда перебрались в Касабланку.

Когда Сержу было 12 лет, Марокко провозгласило независимость, и его семья переехала во французскую метрополию. Арош в Политехнической школе, Высшей нормальной школе и Парижском университете (1963—1967). В 1971 году под руководством Клода Коэна-Таннуджи защитил диссертацию в Университете Пьера и Марии Кюри Арош работал научным сотрудником Национального центра научных исследований (CNRS, 1967—1975), затем на протяжении года стажировался в Стэнфордском университете в группе Артура Шавлова. В 1975 году он был назначен профессором Университета Пьера и Марии Кюри. В 1974—1984 годах преподавал также в парижской Политехнической школе. В 1994—2000 годах возглавлял отделение физики Высшей нормальной школы.

С 2001 года — профессор Коллеж де Франс, где он заведует кафедрой квантовой механики (с сентября 2012 года также администратор колледжа).Серж Арош является членом Французского, Европейского и Американского физических обществ.

В 2012 году Серж Арош совместно с Дэвидом Уайнлендом был удостоен Нобелевской премии по физике за «создание прорывных технологий манипулирования квантовыми системами, которые сделали возможными измерение отдельных квантовых систем и управление ими» .

Американский физик Дэвид Джеффри Уайнленд (David Jeffrey Wineland) роодился в Милуоки, штат Висконсин, США.

В 1961 году закончил школу Энсина в Сакраменто, Калифорния. Физику изучал сначала в Калифорнийском университете в Беркли, потом в Гарвардском университете, где и защитил диссертацию в 1970 году, его диссертация была посвящена мазерам на атомарном дейтерии. Его научным руководителем был Норман Рамзей. Некоторое время Уайнленд вел научные исследования в Вашингтонском университете в группе Ханса Георга Демельта, а в 1975 году перешел на работу в Национальное бюро стандартов в Боулдере, штат Колорадо. Именно там он выполнил свои основные эксперименты. Сферой его исследований являлась оптика и, в частности, лазерное охлаждение ионов в квадрупольных ионных ловушках с последующим использованием захваченных ионов для выполнения квантовых вычислений. Там он трудится и сегодня, только учреждение это в 1988 году было переименовано и называется теперь Национальным институтом стандартов и технологий. Параллельно 68-летний профессор Уайнленд преподает в Колорадском университете. Также Уайнленд является членом Американского физического общества и Американского оптического общества. В 1992 году он был избран членом Национальной академии наук США. В 2012 году Дэвид Уайнленд совместно с Сержем Арошем был удостоен Нобелевской премии по физике за «создание прорывных технологий манипулирования квантовыми системами, которые сделали возможными измерение отдельных квантовых систем и управление ими» .

Иногда бывает так, что Нобелевскую премию присуждают за одно-единственное, одномоментно сделанное открытие, которое было удачной догадкой или гениальным прозрением. Однако далеко не всегда революция в физике происходит так «легко»; чаще оказывается, что трудности встают на пути к цели одна за другой, и каждый раз приходится совершать новый прорыв. Именно такое описание в полной мере относится к работам лауреатов Нобелевской премии по физике за 2012 год — француза Сержа Ароша (Serge Haroche) и американца Дэвида Вайнленда (David Wineland). Они сыграли ключевую роль в грандиозном достижении экспериментальной физики последних десятилетий — контроле над квантовым состоянием отдельных элементарных частиц. Однако сделано это было не сразу, а в несколько ключевых этапов, растянувшихся на треть века и завершившихся громкими результатами (включая и практические приложения) обоих лауреатов буквально в последние годы.

Любопытно подчеркнуть несколько интересных моментов, объединяющих исследования Ароша и Вайнленда. Арош работает с квантовыми состояниями одиночных фотонов, пойманных в резонатор и надолго «отцепленных» от внешнего мира. Вайнленд работает с квантовыми состояниями одиночных ионов, пойманных в ловушку и тоже изолированных от хаотического внешнего воздействия. Но при этом Арош использует атомы, чтобы наблюдать за состоянием фотона, а Вайнленд использует фотоны, чтобы манипулировать состояниями ионов. Оба метода позволяют осуществить экспериментально то, что еще полвека назад могло считаться лишь «мысленным экспериментом», а также изучить то, как соотносятся друг с другом квантовый и классический мир. И наконец, Арош и Вайнленд — давние и хорошие друзья.

Сверхдобротные резонаторы. Исследования Сержа Ароша относятся к квантовой оптике — разделу физики, изучающему квантовые свойства отдельных фотонов, «элементарных кусочков» света. Обычно фотоны используются лишь как одноразовые «посыльные» — они излучаются в источнике, летят к фотодетектору и там поглощаются. Если с ними что-то произошло в пути, то мы об этом узнаем лишь после их «смерти». Жизнь такого фотона быстротечна, его нельзя долго держать и изучать. А Серж Арош задался именно этой целью — научиться удерживать единичный фотон достаточно долго внутри экспериментальной установки и в течение этого времени его аккуратно исследовать.

Удержать фотон в принципе можно, заставив его метаться туда-сюда между двумя вогнутыми зеркалами сверхвысокого качества (вогнутость зеркал не позволяет фотону уйти в сторону). Правда, фраза «метаться туда-сюда» не совсем точно отражает ситуацию. Когда длина световой волны сравнима с расстоянием между зеркалами, фотон уже не перемещается между зеркалами, а, как бы дрожа, замирает между ними — получается стоячая световая волна, опирающаяся на зеркала. Такая система зеркал называется резонатором (в англоязычной литературе используется термин cavity «полость»).

Качество удержания фотона характеризуется добротностью резонатора, Q. Это число показывает, грубо говоря, сколько раз фотон отразится от зеркал, прежде чем как-то пролезет наружу (или, более аккуратно, во сколько раз время удержания фотона больше периода колебания световой волны). Ясно, что добротность критически зависит от отражательной способности зеркал: чем ближе коэффициент отражения к единице, тем выше добротность.

В микроволновом диапазоне (длины волн порядка миллиметров или сантиметров) благодаря применению сверхпроводников удается добиться исключительно хорошего отражения. Уже в 70−80-х годах в распоряжении физиков были резонаторы с добротностью в миллионы, а сейчас она уже достигает десятков миллиардов (рис. 2). В таком резонаторе микроволновой фотон будет «жить» десятые доли секунды — огромный промежуток времени для современной экспериментальной физики. За это время можно, не торопясь, и породить фотон, и воздействовать на него, и «просканировать» его состояние (как это сделать, будет рассказано ниже). Главное, фотоны перешли в категорию «частиц», долго живущих внутри экспериментальной установки, «частиц», над которыми уже можно проводить разнообразные опыты.

Квантовая электродинамике в резонаторе И вот тут в этой истории появляется «вираж», очень характерный для современной физики. Создание высокодобротных резонаторов — такое, казалось бы, совершенно техническое достижение — открыло перед физиками новый раздел фундаментальной физики — квантовую электродинамику резонатора (по-английски cavity quantum electrodynamics, CQED). Это позволило поставить такие опыты с фотонами, которые буквально «прощупывали» самые основы квантовой физики и позволяли по-новому изучать загадочный переход между квантовым и классическим поведением частиц.

Один из ярких примеров таких экспериментов, выполненный в группе Сержа Ароша, — экспериментальная демонстрация того, что время жизни единичного возбужденного атома можно сильно изменить, поместив его в такой резонатор.

Постановка опыта проста, а результат, на неискушенный взгляд, просто удивительный. Между двумя зеркалами пустого резонатора (то есть без фотонов внутри) пролетает атом, находящийся в возбужденном состоянии. Вообще, возбужденные атомы нестабильны, и через небольшое время электрон в нём прыгает на более низкий уровень, излучая при этом фотон. Казалось бы, это спонтанное излучение — сугубо внутриатомный процесс, и время жизни возбужденного состояния — собственная характеристика атома. Однако оказывается, что пролетая сквозь пустой резонатор, атом может ускорить или, наоборот, замедлить процесс «высвечивания» фотона!

Возбужденный атом при этом находится в пустоте, его никто не «трогает» (стенки резонатора удалены от атома на сантиметр!), мы на него не воздействуем никакими внешними электромагнитными полями. Мы всего лишь ограничиваем вакуум вокруг него — и этого уже достаточно, чтобы помешать или, наоборот, поспособствовать излучению фотона.

С точки зрения житейской интуиции — ситуация совершенно необыкновенная. Мы привыкли, что результат может вызвать только прямое воздействие на объект: либо через непосредственное соприкосновение с ним, либо через силовые поля. А тут получается так, словно мы запрещаем или «поощряем» распад, вообще не воздействуя на атом!

Разгадка этого кажущегося парадокса состоит в том, что квантовые объекты нелокальны, неточечны. Конкретно, когда атом излучает фотон, то этот фотон вовсе не вылетает прямо из атома. Оптический фотон вообще невозможно локализовать с атомной точностью. Именно поэтому атомы и молекулы не видны в оптический микроскоп, а также именно поэтому бессмысленно спрашивать, например, из какой части сложной молекулы (скажем, молекулы красителя) вылетает фотон при излучении. Фундаментальная причина этого состоит в том, что электромагнитное взаимодействие довольно слабо, так что постоянная тонкой структуры — маленькая величина.

Правильнее процесс излучения представлять себе так, словно фотон появляется сразу в некотором объеме вокруг атома и затем расширяется во все стороны. Этот объем на порядки больше, чем объем самого атома, и он увеличивается еще больше при увеличении длины волны фотона, то есть при уменьшении разницы между энергетическими уровнями, между которыми произошел переход. Поэтому если какие-то посторонние предметы находятся в этом объеме, за которые может «зацепиться» будущий фотон, то они могут изменять скорость его излучения.

В опытах Ароша использовались особые, сильновозбужденные атомы (это так называемые ридберговские состояния атома). В них разница между энергетическими уровнями, между которыми идет переход, так мала, что длина волны излученного фотона составляет вполне макроскопическое значение — миллиметры и сантиметры. Хотя атом сам по себе и крошечный, но когда он «пытается» излучить фотон, он «прощупывает обстановку» в сантиметровом объеме.

Резонатор, использованный Арошем, был сопоставимого размера, и это позволяло ему влиять на скорость распада. Например, в совсем маленьком резонаторе излученный фотон просто не поместился бы — и уже один этот факт предотвращает его излучение, стабилизирует возбужденное состояние. Если же размер резонатора подобрать так, чтоб фотон ровненько в него вписывался, то атому будет даже удобнее излучить такой фотон, вероятность излучения резко возрастает.

Справедливости ради надо сказать, что этот эффект вовсе не был для физиков сюрпризом. Такое поведение было теоретически предсказано Эдвардом Пёрселлом еще в 1946 году, а первые экспериментальные намеки на такое поведение появились в начале 70-х годов. Правда, тогда речь шла об излучении молекул, расположенных между двумя плоскими зеркалами, и эффект был довольно «грязным». Серж Арош и его сотрудники добились гораздо более сильного и чистого эффекта: в их статье 1983 года сообщается о примерно пятисоткратном (!) ускорении излучения фотона. Еще раз почувствуйте изюминку: свечение усилилось только за счет того, что мы правильным способом ограничили пространство в вакууме вокруг излучателя!

Спустя четыре года эффект был продемонстрирован сразу несколькими исследовательскими группами и в оптическом диапазоне, причем как в сторону усиления, так и ослабления излучения в десятки раз. Без преувеличения можно сказать, что началась эпоха манипулирования темпами внутриатомных процессов. А группа Сержа Ароша тем временем двинулась дальше…

Подсчет фотонов и фейерверк результатов. Когда речь идет об экспериментах с одной или несколькими частицами, возникает естественный вопрос: как можно измерить количество частиц? Для электронов, скажем, ответ простой: надо измерить электрический заряд объекта и поделить на заряд одного электрона. А как измерить, сколько фотонов «застряло» между зеркалами резонатора?

Проблема с фотонами в том, что они легко поглощаются. Если фотонов огромное число, то это несущественно — именно так измеряют напряженность классического электрического или магнитного поля пробными зарядами. Но когда фотонов мало, поглощать их нехорошо — это полностью меняет состояние измеряемого объекта. Может быть, можно без этого как-то обойтись? Оказывается, да. В квантовой механике вовсе не все измерения меняют состояние системы; существуют так называемые квантовые неразрушающие измерения (по-английски quantum non-demolition measurements), которые умудряются без этого обойтись (этот тип измерений, кстати, предложил советский физик Владимир Брагинский).

В 1990 году вышла статья Ароша и соавторов, в которой была предложена конкретная схема для неразрушающего измерения количества фотонов в резонаторе. Для этого авторы снова предлагают использовать специальным образом приготовленные атомы, пролетающие сквозь резонатор. Только в этот раз резонатор играет иную роль: он не приводит ни к излучению, ни к поглощению фотонов, а слегка сдвигает уровни энергии атома на величину, зависящую от количества фотонов. Сдвиг уровней энергии (который присутствует только во время пролета сквозь резонатор) слегка изменяет состояние атома на выходе, измерив которое, можно «сосчитать фотоны».

Реализация этой идеи, однако, натолкнулась на серьезные технические трудности, которые были преодолены лишь в 2007 году. Зато потом, в считанные месяцы, группа Ароша выполнила несколько блестящих исследований, позволивших по-новому взглянуть на основополагающие квантовые явления.

Март 2007 года: удается проследить появление и исчезновение отдельного фотона в резонаторе.

Август 2007 года: постепенный «коллапс» семифотонного начального состояния, в котором видно, как на протяжении полусекунды фотоны один за другим исчезают из резонатора.

Сентябрь 2008 года: наблюдение состояний типа «кота Шрёдингера», когда в резонаторе находится не какое-то определенное количество фотонов, а суперпозиция трехфотонного и четырехфотонного состояния.

Октябрь 2008 года: наблюдение квантового эффекта Зенона в резонаторе (квантовый эффект Зенона состоит в том поразительном свойстве квантовой механики, что непрерывное наблюдение за распадающейся системой «замораживает» ее распад).

Настоящий фейерверк результатов! Группа Ароша, разумеется, и на этом не собирается останавливаться, а открывает всё новые и новые приложения разработанных экспериментальных методов. К примеру, месяц назад вышла еще одна их статья, в которой квантовый эффект Зенона не просто наблюдается, а уже используется для ручного управления квантовой эволюцией фотонного поля в резонаторе и получения экзотических квантовых состояний электромагнитного поля.

Подводя итог под этой частью рассказа, можно вспомнить, что знаменитая дискуссия между Нильсом Бором и Альбертом Эйнштейном о физической сущности квантовой механики крутилась, среди прочего, и вокруг мысленного эксперимента с «однофотонным ящиком». Практическая реализация такого ящика, равно как и множество более тонких квантовых манипуляций с фотонами, была в те времена попросту невозможна с технической точки зрения. Серж Арош стал ключевой фигурой, благодаря которой подобные мысленные квантовомеханические эксперименты были реализованы.

Одноатомная квантовая «хирургия»: работы Дэвида Вайнленда Манипуляция квантовым состоянием отдельного иона — не менее трудная с технической точки зрения задача. Конечно, атомы, в отличие от фотонов, никуда не исчезают, и в этом смысле с ними работать проще. Но с другой стороны, длина волны атома (напомним, что в квантовом мире каждой частице соответствует некий волновой процесс) при его движении с обычными скоростями очень мала. Поэтому квантовые эффекты, связанные с поступательным движением (то есть перемещением атома как целого), при обычных температурах незаметны. Для того чтобы заметить квантование поступательного движения, отдельный атом или ион требуется не просто поймать, но и охладить до очень низких температур, порядка милликельвинов и ниже.

Пленение и охлаждение одиночных ионов В принципе, технология ионных ловушек, в которых заряженные частицы удерживаются в центре переменным электромагнитным полем определенной формы, была разработана полвека назад. Она даже принесла своим создателям, Вольфгангу Паулю и Хансу Демельту, половину Нобелевской премии по физике за 1989 год (подробности см. в их нобелевских лекциях. В 1973 году Вайнленд, Экстром и Демельт сообщили о первых экспериментах с одиночным электроном, плененным в такой ловушке. Демельт придумал для этой системы красивое название «геоний» — этакий искусственный аналог атома, в котором электрон находится в связанном состоянии с Землей (с помощью ловушки, конечно). Целью этих экспериментов было изучение внутренних характеристик электрона, в частности его аномального магнитного момента, и его сравнение с теоретическими предсказаниями (сейчас такого типа измерения составляют целый отдельный раздел метрологии и квантовой электродинамики).

В той же статье 1973 года была упомянута и возможность поимки отдельных ионов. В отличие от одиночных электронов, ионы интересны тем, что у них есть многочисленные внутренние степени свободы, и, поймав такой ион в ловушке, можно его изучить вдоль и поперек. На пути к этой цели в 1975 году была разработана (в том числе и Вайнлендом) методика доплеровского охлаждения ионов. В этом методе на ионы или атомы светят лазерным лучом с частотой, очень близкой к резонансному рассеянию, но только те из них, которые движутся с большой скоростью навстречу световому лучу, рассеивают свет, теряют энергию и тем самым охлаждаются. Эта методика была реализована в 1978 году в экспериментах группы Вайнленда с ионами Mg+ и в опытах группы Тошека с ионами Ba+. В обоих случаях, правда, это были облачка с несколькими десятками ионов, но спустя пару лет были пойманы отдельные ионы и начато изучение их спектроскопии (работы группы Тошека 1980 года и Вайнленда—Итано 1981 года). В этих статьях было отмечено, кстати, что флуоресцентное свечение одного-единственного иона отлично видно в микроскоп.

В обеих статьях 1980;1981 годов температура иона в ловушке оценивалась в несколько десятков милликельвинов, а это было всё еще многовато для того, чтобы остановить ион (точнее, перевести его в состояние с минимально возможным поступательным движением). Дальнейший прогресс в этой области был связан с новой методикой охлаждения, также разработанной и реализованной Вайнлендом, которая носит название охлаждение по боковой полосе частот (по-английски sideband cooling). На ней стоит остановиться подробнее.

Электронное облако в атоме или ионе имеет большой набор возможных вариантов, как ему «упаковаться» вокруг ядра и как ему организовать спины электронов. Тот вариант, который обладает наименьшей энергией, называется основным состоянием, он стабилен, а варианты с более высокой энергией (возбужденные состояния) спустя некоторое время превращаются в основное состояние с излучением фотона. Кроме того, если атом находится внутри ловушки, то его поступательное движение тоже квантуется, то есть оно тоже может иметь строго определенный вид. У этого движения есть основное состояние, при котором ион практически замирает в центре ловушки (у него остается лишь неустранимое квантовое дрожание, называемое «нулевыми колебаниями»), и целая лестница возбужденных состояний, которые отвечают перемещению туда-сюда со всё большей амплитудой. Энергия возбуждения электронной оболочки на несколько порядков больше энергии возбуждения поступательного движения, и поэтому энергетический спектр иона (в этом грубом приближении) имеет вид, показанный на рис.

Рис. Упрощенная схема энергетического спектра иона: показаны основное и одно возбужденное состояние электронной оболочки, и в обоих случаях отмечены несколько возбужденных состояний поступательного движения

Теперь самое интересное. Физики умеют перебрасывать основное состояние электронной оболочки в возбужденное, причем перебрасывать «прицельно», именно в то возбужденное состояние, которое мы хотим, — для этого надо просто посветить на атом светом с нужной длиной волны. Оказывается, эта комбинация — мы возбуждаем атом так, как нам нужно, а он выходит из этого состояния так, как «он привык», — позволяет охлаждать поступательное движение атомов (рис. 7).

Рис. 7. Идея метода охлаждения по боковой полосе частот. На шаге 1 мы возбуждаем электронную оболочку и слегка уменьшаем поступательное движение. На шаге 2 атом «падает» в основное состояние электронной оболочки, не меняя при этом поступательного движения. Когда мы достигаем низа «лестницы», то ион, находящийся в основном состоянии и электронной оболочки, и поступательного движения, уже никуда не может перейти

Для этого мы берем атом или ион в основном электронном состоянии и с большим поступательным движением и перекидываем его в состояние с возбужденной электронной оболочкой (обычно это просто переворот спина внешнего электрона), но с чуть меньшим поступательным движением. Атом через некоторое время высвечивает фотон и «падает» в основное состояние электронной оболочки, а поступательное движение при этом не меняется. Чистый результат этого двухшагового процесса — поступательное движение слегка уменьшилось. Повторяя эту процедуру раз за разом, мы можем совсем погасить поступательное движение, «посадив» атом в основное состояние (так что останутся только нулевые колебания). И «сев» в это состояние, атом уже не будет возбуждаться, поскольку ему просто некуда перескакивать.

В практической реализации этой идеи было, конечно, немало технических тонкостей — в частности, возбужденному атому приходилось «помогать» побыстрее снимать возбуждение, чтобы достичь нужной скорости охлаждения. Напряженная работа в течение нескольких лет позволила Вайнленду с сотрудниками их преодолеть, и в 1989 году вышла статья, рапортующая о достижении основного квантового состояния поступательного движения иона ртути. Правда, в этой статье локализация была достигнута только в поперечной плоскости, а квантованное движение вдоль оси установки было еще недоступно. Однако несколько лет спустя, в 1995 году, группа Вайнленда достигла и настоящей трехмерной локализации отдельного иона в основном квантовом состоянии.

Итак, в 1995 году завершилась — во многом благодаря достижениям группы Вайнленда — длившаяся десятилетия эпопея по полной квантовой локализации отдельного иона.

Квантовая информатика как экспериментальная наука Как только поступательное движение иона в ловушке полностью подчинилось исследователям, сразу были реализованы необычные квантовомеханические ситуации, остававшиеся до этого чисто гипотетическими. В том же 1995 году группа Вайнленда поместила ион в состояние квантовой суперпозиции поступательного движения — когда ион не стоит на месте и не движется, а одновременно и стоит, и движется (этакая одноатомная версия «кота Шрёдингера»). Для достижения этого использовалась та же методика по перекидыванию состояний между основной и возбужденной энергетическими полосами. Вначале электронная оболочка атома переводилась из чисто основного состояния в состояние суперпозиции основного и возбужденного состояний. «Возбужденная часть» затем «падала» на основное электронное состояние, но с иным поступательным движением. В результате получалось состояние атома с электронной оболочкой в основном состоянии, но с суперпозицией поступательного движения.

Эта работа была важнейшим шагом на пути превращения физики квантовой информации из чисто теоретической в экспериментальную науку. Физики к тому времени уже давно мечтали не просто научиться манипулировать квантовым состоянием внутри отдельного атома, но и передавать эту квантовую информацию от одного атома к другому — это один из первых шагов на пути к созданию квантового компьютера. Работа группы Вайнленда 1995 года (которая, кстати, называлась «Демонстрация фундаментального квантового логического вентиля») показала, как это можно сделать. Квантовую суперпозицию, которая до сих пор «жила» внутри иона, теперь можно было превратить в нечто «внешнее», в суперпозицию поступательного движения. А это значит, что если неподалеку находится второй такой ион, который неизбежно связан с первым за счет электростатического взаимодействия, то он сможет воспринять ее и превратить ее в свою внутреннюю суперпозицию без потери когерентности (что и было достигнуто в 2003 году). Линейная цепочка таких атомов, зависшая в поле периодической ловушки, тогда сможет выполнять все функции квантового компьютера.

После этого достижения экспериментальные методы в физике квантовой информации (а точнее, в ее ионной реализации) начали развиваться лавинообразно. В 1998 году Вайнленд добился квантового запутывания двух пространственно разнесенных ионов — опять же через суперпозицию поступательного движения. В 2000;х годах несколько исследовательских групп добились контролируемого квантового запутывания уже нескольких ионов. На сегодня уже реализовано квантовое запутывание 14 ионов, а также многие из логических операций, необходимых для работы квантового вычислителя (см. обзорную статью Блатта и Вайнленда за 2008 год).

Сверхточные часы Еще на заре развития описанных выше методов было ясно, что пленение и квантовый контроль отдельных ионов может иметь и далеко идущие практические применения. С одной стороны, глубоко охлажденные одиночные квантовые частицы могут стать сверхчувствительным сенсором внешних возмущений. С другой стороны, использование тех атомных переходов, которые малочувствительны к внешним возмущениям, позволит создать новый сверхстабильный стандарт частоты. Группа Вайнленда сейчас работает, среди прочего, и над этой задачей, используя всё те же плененные ионы. Два года назад, например, они сообщили о создании оптических часов, темп хода которых был измерен с относительной точностью 10−17. Сейчас в литературе уже обсуждается точность хода на уровне 10−18 и лучше.

Практическая польза от сверхточного стандарта частоты в том, что он позволяет замечать и использовать для практических целей исключительно слабые физические эффекты. Ярким примером тут является еще одна статья группы Вайнленда двухлетней давности, благодаря которой эффект общей теории относительности может найти применение в геодезии и гидрологии благодаря использованию сверхточных атомных часов. Дело тут в том, что, согласно общей теории относительности, время течет по-разному в гравитационном поле разной напряженности. При удалении от поверхности Земли гравитационное поле начинает ослабевать, и поэтому скорость хода часов, расположенных на разной высоте, будет отличаться. Группа Вайнленда сообщает, что ей удалось заметить это расхождение при разнице высот меньше 1 метра!

Такая тесная связь между разными разделами физики и их неожиданный выход на практические приложения — характерная черта современной науки. И если уж говорить о практической пользе фундаментальной физики, то работы нынешних нобелевских лауреатов лишний раз подтверждают справедливость тезиса: с помощью фундаментальной науки мы находим и используем на практике новые природные явления, до которых мы бы просто не смогли догадаться сами, застряв в рамках «инновационных» или «рационализаторских» предложений, основанных на старой физике.

Квазикристаллы. Нобелевская премия по химии 2011 года.

Присуждение Нобелевской премии по химии физикам и за «чисто физические» исследования не редкость. Достаточно вспомнить М. Склодовскую-Кюри, ее дочь И. Кюри и зятя Ф.Жолио. Великий физик Э. Резерфорд шутил, что ему известно только одно мгновенное химическое превращение, когда он превратился из физика в химики при присуждении ему Нобелевской премии. Так случилось и в 2011 году.

Израильский химик Даниэль Шехтман (Daniel Shechtman) родился в Тель-Авиве в 1941 году. В 1966 году в Технионе он получил степень бакалавра, в 1968 году — магистра, а в 1972 году — доктора философии. После получения степени доктора философии Шехтман в лаборатории AFRL при авиабазе Райта-Паттерсона в штате Огайо, США, три года изучал свойства алюминидов титана. В 1975 году он устроился на факультет материаловедения в Технионе. В 1981;83 годы Шехтман находился в творческом отпуске в Университете Джонса Хопкинса, где он совместно с институтом НИСТ занимался изучением быстроохлаждённых сплавов алюминия с переходными металлами. Результатом этих исследований стало открытие икосаэдрической фазы и последующее открытие квазипериодических кристаллов. В 1992;94 годы Шехтман находился в творческом отпуске в НИСТе, где занимался изучением влияния дефектных структур кристаллов, выращенных методом химического осаждения из газовой фазы, на их рост и свойства. В 1996 году Шехтман был избран членом Израильской Академии Наук, в 2000 году — членом Национальной Технической Академии США, в 2004 году — членом Европейской Академии Наук. В 2011 Даниэль Шехтман был награжден Нобелевской премией по химии за «открытие квазикристаллов» .

Лауреата Нобелевской премии по химии в 2011 году Даниэля Шехтмана можно смело поставить в один ряд с Эйнштейном и Планком. Его открытия перевернули мир. Что же он открыл? Квазикристаллы. Появление в научной среде квазикристаллов вызвало не меньший резонанс, чем появление специальной теории относительности и квантовой теории.

Даниэль Шехтман родился в Тель-Авиве. Все его научные достижения связаны с Технионом (Израильский Технологический институт). Его альма-матер. Даже, несмотря на то, что главное открытие его жизни было сделано за пределами Израиля.

После получения учёной степени Шехтман отправился покорять Америку. И ему это почти удалось. Ведь он работал в таких местах, как Университет Джона Хопкинса, Национальный институт стандартов, Исследовательская лаборатория ВВС США. Именно в Исследовательской лаборатории ВВС Даниэль Шехтман открыл существование квазикристаллов. Но его открытие меняло представление о кристаллах, поэтому ему пришлось выслушивать насмешки. А кроме насмешек Даниэля Шехтмана попросили покинуть лабораторию. Ему ничего не оставалось, как вернуться в Израиль, что он и сделал.

Вернувшись в свою альма-матер, Шехтман опубликовал полученные результаты. И это открытие перевернуло мир. Открытие было сделано в 1982 году, но премия нашла своего обладателя лишь в 2011. Конечно, с тех пор утекло много воды. Да и квазикристаллы стали использоваться в промышленности. Может быть, именно поэтому премия нашла своего героя только сейчас.

После открытия квазикристаллов Шехтман решил заняться осаждением кристаллов из газовой фазы, для этого он снова вернулся в США, где устроился в лабораторию при Национальном институте стандартов. В 2004 году Шехтман решил перебраться в Лабораторию Эймса в Университете Айовы, где он и проводит свои исследования в настоящий момент. Основной областью научных изысканий Шехтмана является материаловедение, поэтому не удивительно, что его хобби является изготовление ювелирных изделий. Одним из его последних клиентов был король Швеции Карл XVI Густав.

Как известно, все природные вещества представлены кристаллами с геометрически упорядоченной пространственной структурой. При этом, осей симметрии 5-го, 7-го и более высокого порядка не существует. Это написано в любом учебнике по физике твердого тела — см. например, Л. Д. Ландау и Е. М. Лифшиц том V параграф 130, в котором доказывается соответствующая теорема. Шехтман, исследуя квазикристаллы на основе быстро охлажденных сплавов AlMn, обнаружил для них оси симметрии 7-го, 8-го, 10-го, 12-го порядков. Такие вещества обладают также высокой твёрдостью, что позволяет их использовать в производстве сверхпрочных сталей, а также у квазикристаллов отсутствует липкость, что позволяет использовать иглы с квазикристаллическим покрытием для проведения операций на глазах. Вот так открытие Шехтмана изменило мир. Теперь операции на глазах стали более безопасными, а также удалось получить сверхпрочные сплавы, которые имеют высокую прочность из-за неупорядоченной структуры, т. е. в математическом понятии структура упорядочена, но геометрическая симметрия отсутствует.

Даниэль Шехтман открыл квазикристаллы при наблюдении в микроскопе за структурой алюминиево-марганцевых сплавов, полученных сверхбыстрым охлаждением, скорость охлаждения составляла около 106 К/с. Это очень быстро, поэтому и удалось получить несимметричную структуру. Квазикристаллы имеют довольно высокую стоимость, даже несмотря на то, что цена на металлический алюминий довольно невысокая, да и не из любых веществ их можно получить. Для получения квазикристаллов требуется перитектика, но не все металлические системы обладают таким свойством. Такое свойство имеется лишь у некоторых соединений веществ. Квазикристаллы довольно сложно получить, потому что состав твёрдой и жидкой фазы значительно отличается. Казалось бы, благодаря этому квазикристаллов не может существовать в природе, но это не так, квакристаллы были обнаружены в 2009 году в Корякском нагорье в России, и они состояли из трёх элементов — меди, железа и алюминия.