От «квантового загона» к нанотехнологиям
Я видел будущее, и оно маленькое.
Ларри Смарр
Важной чертой технического прогресса долгое время было создание гигантских сооружений: самого большого моста, самого высокого здания, самого длинного самолета. Но постепенно все изменилось. Сегодня прогресс определяется именно умением конструировать в сверхмалых масштабах, и теперь уже исследования микромира стали передним краем современной науки. Этот переворот начался давно, с создания все более миниатюрных транзисторных радиоприемников, затем портативных компьютеров, мобильных телефонов и CD-плееров. Минимализм вдохновляет. Тем временем физики двигались в том же направлении, но пределы, в которые привел их этот путь, слишком малы, чтобы увидеть их невооруженным глазом.
Нанотехнология – это бурно развивающееся искусство конструирования на уровне отдельных атомов, создания структур и «механизмов», размеры которых составляют не более нескольких атомов в поперечнике.
Однажды может наступить время, когда в наших телах будут работать крошечные наномашины, очищающие артерии и отслеживающие состояние человека изнутри в режиме реального времени.
Коренные изменения в работе с отдельными атомами стали возможны после изобретения сканирующего туннельного микроскопа. Благодаря Дону Эйглеру, Майклу Кромми и Крису Лущу появились два новых типа изображений, которые стали знаковыми и одинаково важными как для физики, так и для искусства. В 1993 году эти ученые создали изображение, получившее название «квантовый загон». Для этого они переместили с помощью зонда сканирующего микроскопа несколько атомов и составили из них новую фигуру. Построив из атомов железа барьер наподобие круглой замкнутой изгороди, они поместили внутри него атомы кобальта. На вводной иллюстрации к этой главе мы видим почти круглый загон, состоящий из 48 атомов железа. Самое замечательное в этих структурах – их размер. Длина подобных конструкций исчисляется в нанометрах. Один нанометр равен одной миллиардной доле метра. Обычно квантовый загон имеет в поперечнике 10-20 нанометров. Диаметр человеческого волоса – около 200 000 нанометров, а размер атома кремния – около половины нанометра. Из цельного кристалла кремния удалось сделать наногитару, длина которой составляет всего 10 000 нанометров. На гитаре натянуто шесть струн, каждая из которых имеет толщину около 50 нанометров. На этих струнах даже можно играть, но получающиеся звуки имеют слишком высокую частоту и человеческое ухо их не услышит.
В таких структурах также наблюдается явление квантового «миража», показанное на следующей иллюстрации. Электроны и другие участвующие в нем субатомные частицы имеют волновые свойства, и можно добиться резонанса так, что пиковые уровни волн суммируются и осуществляется фокусировка энергии в конкретных точках. Этот эффект был впервые продемонстрирован в 2000 году Хари Манохараном, Кристофером Лутцем и Доном Эйглером. Опыт проводился на эллиптическом загоне, составленном из атомов кобальта, нанесенных на медную поверхность. Атомы кобальта отражают поверхностные электроны атомов меди и создают волновые колебания, предсказываемые уравнениями квантовой механики. Делая контур загона эллиптическим, можно поместить атом кобальта в один из двух фокусов эллипса и таким образом создать на другом фокусе эллипса изображение этого атома. Это и есть квантовый мираж. В обоих фокусах эллипса были зафиксированы одинаковые физические свойства, хотя на самом деле атом-то был всего один! Это изображение появилось в 2000 году на обложке журнала Nature103 и вызвало огромный интерес в СМИ, поскольку картинка сразу врезалась в память: впервые мы, казалось бы, «видели» атомы и пасущиеся в загоне электроны.
В данном эксперименте проявляется необычное свойство эллипса, не относящееся к квантовой механике. Если сделать эллиптический бильярдный стол и поместить в одном его фокусе биток, а в другом – шар, в который нужно попасть, то независимо от того, как вы ударите биток, он все равно попадет в этот шар, если только не угодит в лузу или не остановится раньше под действием силы трения. С этим же свойством эллипса мы сталкиваемся в «шепчущих галереях». В Виргинском университете в городе Шарлотсвилль есть знаменитая овальная приемная, спроектированная Томасом Джефферсоном. Несмотря на то что она довольно велика, если вы стоите в одном из ее фокусов, то можете слышать, что говорят люди, находящиеся далеко от вас, вблизи от другого фокуса, как если бы они стояли рядом. Нечто подобное происходит и в овальном загоне с квантовыми волнами, связанными с атомами и электронами. После отражения от «стенок» они сходятся и порождают интенсивные колебания во второй фокусной точке.
В традиционной электронной инженерии такие феномены вызывали бы проблемы. Попробуйте сделать кабель для передачи электронов, который настолько мал, что волновые свойства электронов ощущаются и за пределами самого провода, вступая в контакт с другими элементами электронной схемы. Последствия будут катастрофическими. Но, если мы собираемся работать с необычными квантовыми свойствами, у нас появляется возможность конструировать устройства, в которых квантовые эффекты будут только полезны. На этой концепции базируется новая научная область – фотоника. Цель этой науки – разработка вычислительных устройств на наноуровне, которые используют при работе атомы, выстроенные в виде загонов для хранения бит информации и обработки этой информации. Исходя из того, как атомы соединяются вместе, образуя молекулы и химические соединения, может существовать возможность соединять вместе наноустройства, как кубики конструктора «Лего», и собирать таким образом сложные машины из атомов. Итак, квантовый загон – это не просто визитная карточка квантовой механики, это первая ласточка приближающегося будущего.