Квант. Путеводитель для запутавшихся - Джим Аль-Халили

становиться тем самым светоизлучающими диодами, или просто светодиодами. Но пока самой известной сферой применения полупроводников остается производство «транзисторов».

Первые транзисторы были изобретены вскоре после Второй мировой войны тремя американцами – Джоном Бардином, Уолтером Браттейном и Уильямом Шокли, – которые работали в Лабораториях Белла. Их идея заключалась в использовании двух p-n-переходов, сложенных вплотную друг к другу. В зависимости от того, как именно они сложены, можно получить два типа так называемого биполярного транзистора, для которого будет характерна либо n-p-n – (р-тип между двумя n-типами), либо р-n-р-структура (n-тип между двумя р-типами). Мощный ток, текущий по пути большого сопротивления (то есть по сложному пути) через один из переходов, можно контролировать гораздо более слабым током, текущим по простому пути через другой переход. Слово «транзистор» происходит из комбинации двух слов, описывающих происходящие в этом устройстве процессы: трансфер-резистор.

Способные усиливать силу тока и напряжение, транзисторы отлично подошли для создания логических вентилей, то есть основных элементов компьютера. Они оперируют в соответствии с законами бинарной логики нолей и единиц, будучи либо «включенными», если по ним идет ток, либо «выключенными», если он не идет.

Транзисторы стали частью электрических схем, содержащих в себе и различные другие электрические компоненты, такие как резисторы и конденсаторы. В конце 1950-х годов было обнаружено, что такую схему можно создать из единственного блока полупроводникового материала, получив в итоге так называемую интегральную схему. Для этого использовались маленькие кусочки кремниевых пластин, называемые чипами (от англ. chip – тонкая пластинка), которые и дали этой схеме обиходное наименование.

Вскоре эти чипы стали производиться массово и быстро заменили громоздкие электронно-лучевые трубки, которые использовались в первом поколении компьютеров в 1940-х и 1950-х годах. К концу 1960-х каждый чип мог вмещать тысячи транзисторов в своей интегральной схеме. Сегодня в самых мощных микрочипах на площади размером с человеческий ноготь содержатся миллионы транзисторов. Более того, такие «микропроцессоры» не просто заточены под выполнение конкретной задачи, но могут быть запрограммированы на множество функций.

Хотя нам следует благодарить квантовую механику за технологию, стоящую за вездесущими микрочипами, распределение электронов в атомах, которое позволяет существование полупроводников, может и не казаться вам особенно странным квантовым явлением. Поэтому мне следует упомянуть еще одно устройство, которое также применяется в современных электронных схемах и эксплуатирует квантовую механику более очевидным образом. Туннельный диод использует тот факт, что электроны могут перепрыгивать изолирующий слой, проходить сквозь который они теоретически не имеют права. Но не пытайтесь представить их в виде крошечных частиц, которые перепрыгивают через стену в классическом смысле. Точнее будет сказать, что волновые функции электронов просачиваются за пределы изолирующей области. Благодаря такому квантовому скачку электроны получают способность преодолевать расстояния гораздо быстрее, чем при движении обычным путем через транзистор. В связи с этим такие устройства используются в качестве очень быстрых переключателей в микропроцессорах.

Отличная идея ищет применение

Именно так физики отнеслись к лазеру, когда он был изобретен в 1958 году. Сегодня лазер применяется во множестве сфер, от строительства кораблей до глазной хирургии, работы CD-плееров и кассовых аппаратов. Но его действие не ограничивается испусканием мощного пучка света. Физика лазера представляет собой чистую квантовую механику. В отличие от микрочипа, который во многом основывается на свойствах электронов и их строгом подчинении принципу исключения, лазер полагается на товарищество и кооперацию фотонов.

Когда электрон получает энергию, поглощая фотон, он получает возможность перепрыгнуть на более высокую атомную орбиту. Разница в энергии между двумя орбитами равняется энергии поглощенного фотона, которая, в свою очередь, зависит от его частоты согласно формуле Планка. Вскоре после этого «возбужденный» электрон спонтанно опускается обратно, испуская фотон той же самой энергии. Этот процесс называется спонтанным излучением и лежит в основе работы электрической лампочки. Идущий по вольфрамовой нити ток нагревает ее, заставляя электроны атомов вольфрама набирать энергию и в возбужденном состоянии перескакивать на более высокие орбиты. Снова падая обратно, они испускают фотоны широкого диапазона частот, включая и те, что находятся в видимом световом спектре.

Лазер работает иначе. Если не позволять электрону самому упасть на изначальный уровень, а стимулировать его к этому путем столкновения с входящим фотоном, на выходе мы получим два фотона – оригинальный и новый, испущенный электроном. Два этих фотона затем могут подталкивать к падению и другие возбужденные электроны, которые будут выпускать все новые и новые фотоны, что в некотором роде будет напоминать цепную реакцию. Этот процесс называется вынужденным излучением и дает название лазеру (акроним от англ. light amplification by stimulated emission of radiation – усиление света посредством вынужденного излучения).

Будучи бозонами, вылетающие фотоны пребывают в том же квантовом состоянии, что и налетающие фотоны. У них одинаковая длина волны, они находятся в одной фазе и движутся в одном направлении. В связи с этим свет лазера считается когерентным[64]. Он может обладать очень высокой интенсивностью и фокусироваться в узкий пучок.

Первый лазер был создан в 1960 году, и с тех пор ему было найдено множество применений. Лазеры могут сваривать, разрезать и плавить. Их можно найти на автомобильных конвейерах и в текстильной промышленности. С их помощью можно проверять, ровно ли проложены каналы, и точно подгонять друг под друга крупные детали тяжелой промышленности. Их точные длины волн можно настроить и применять в областях вроде интерферометрии для сверхточного измерения длин. (К примеру, лазеры использовались для определения расстояния от Земли до Луны с точностью до нескольких сантиметров.) Они также используются для создания голограмм – трехмерных изображений с широким спектром применения, в том числе, возможно, даже в качестве невероятно эффективных устройств для хранения информации.

Лазеры также можно изготовить из полупроводниковых диодов способом, который напоминает производство светодиодов. Эти дешевые и сердитые твердотельные лазеры характеризуются стойкостью и надежностью, а по размерам сравнимы с песчинкой. Сегодня такие устройства используются в коммуникациях для передачи света по оптоволокну, а также в CD – и DVD-плеерах и кассовых аппаратах, где они сканируют штрихкоды.

В отличие от обычного света, излучаемого фонариком, который представляет собой путаницу электромагнитных волн множества различных длин, распространяющихся во всех направлениях, свет лазера очень упорядочен. Все волны имеют одинаковую длину, соответствующую характерной частоте испускающих их атомов. Свету лазера также свойственна высокая интенсивность из-за процесса амплификации. Кроме того, он не рассеивается после испускания, благодаря чему им можно светить на очень длинные расстояния.

Благодаря своей способности фокусировать энергетические фотоны с такой выдающейся точностью, лазеры также нашли широкое применение в компьютерной промышленности. Они используются в процессе, называемом фотолитографией, чтобы вытравливать бороздки