| |
|
В. Дубинский
Ловушка для света
|
В Германии маленьким детям рассказывают сказку о коварной ящерице, которая похитила свет и обрекла людей на жизнь в потемках. А вот в жизни этот трюк исполняют ученый Ахим Виксфорт и его коллеги из Мюнхенского университета. Трюк, образно говоря, состоит в "укупоривании" светового луча в бутылку с последующим его освобождением по мере необходимости. Причем в трюке нет никакого подвоха, он явно сориентирован на практическое применение.
Дело в том, что электроны, обеспечивающие передачу сигналов в нынешних компьютерах, как носители информации далеко не идеальны. Они теряют время на взаимодействие друг с другом, они нуждаются в проводах, они передвигаются, с точки зрения завтрашних требований, черепашьим шагом.
Иное дело - световой луч. Его информационная емкость - так называемая ширина полосы пропускания сигналов - воистину колоссальна. Единственная вспышка лазерного луча - и за какую-то долю секунды может быть передано все содержание многотомной энциклопедии. Далее: световой носитель информации легко расщепляется на множество отдельных лучей, что помогает наладить параллельный процесс, повсеместно признанный как будущее высокоскоростной информатики. И конечно, эти лучи наделены огромной скоростью - быстрее их, как говорят, нет ничего на всем белом свете.
Итак, свет может стать мощным средством передачи информации, но его высокая скорость имеет и обратную сторону. В каком-то смысле луч света похож на поезд без тормозов: разогнавшись, он не может вовремя остановиться, что, согласитесь, грозит крушением.
Поэтому последние годы все действия специалистов новой отрасли физики, названной оптоэлектроникой, были направлены на то, чтобы хорошенько "выдрессировать" световой луч, заставить его стартовать и останавливаться по первому же требованию, как по мановению волшебной палочки.
Определенные успехи в данном направлении уже достигнуты. Оптоэлектроника, позволяющая передавать информацию из одной точки в другую со скоростью света, ныне используется повсюду, начиная с трансконтинентальной связи и заканчивая пультом управления вашего телевизора.
Однако специалисты пока недовольны достигнутым. Для создания оптических компьютеров им необходимо еще создать световые линии задержки - устройства, в которые можно на какое-то время помещать пучки фотонов, чтобы потом снова пускать их в путь.
Чтобы оттянуть время пробега светового луча, можно направить его по многочисленным кольцам оптического волокна на сверхдлинную дистанцию. Но эти устройства, считает профессор Виксфорт, трудноконтролируемы и громоздки: скажем, для задержки света всего на одну миллионную секунды понадобится 300 метров оптоволокна. "Идеально, - говорит он, - чтобы аппаратом оптической памяти стал бы маленький контейнер, куда входящий оптический сигнал помещался бы на требуемый отрезок времени..."
И вот в Мюнхене недавно было создано устройство памяти с использованием проводников, которые по своим параметрам меньше точки на этой странице и которые можно встраивать в существующие электронные устройства.
|
|
Схема накопления электроном энергии и испускания ее в виде света:
1 - электрическое поле; 2 - область полупроводника, в котором образовалась "дырка"; 3 - "дырка"; 4 - образование "дырки" под воздействием света; 5 - освободившийся электрон переходит в другую энергетическую зону; 6 - освободившийся электрон спустя некоторое время скатывается в потенциальную "яму"; 7 - зона, где электроны и "дырки" не могут рекомбинировать.
|
Теоретически изготовление оптической памяти на полупроводниках не должно представлять трудности. Энергии электронов в полупроводниках соответствуют две широкие полосы. Большая их часть находится в валентной полосе, где они привязаны к определенным атомам. Однако стоит им сообщить достаточно энергии для перемещения на полосу проводимости, как они освобождаются для движения, оставляя при этом за собой пустоты ("дырки"), действующие как положительно заряженные частицы. Так что если атаковать полупроводник фотонами соответствующей энергии, они будут поглощены и оставят за собой пары электронов и пустот, каждая из которых сможет стать своеобразным "аккумулятором" света.
Подобные устройства широко применяются в цифровых камерах, где производят перевод электрического сигнала в световой и обратно. Но конструирование оптической памяти, способной улавливать, удерживать и высвобождать свет, - задача неимоверной трудности. Главная проблема здесь в том, как добиться разделения электронов и положительных частиц и притом сохранить такое разделение на расстоянии, когда они смогут воссоединиться, высвобождая фотоны соответствующей длины волны. То есть, говоря проще, по первому же требованию воссоздавая первичный световой сигнал.
Дело осложняется тем, что одни полупроводники не лучшим образом обеспечивают разделение, другие - воссоединение электронов и положительных частиц. Хотя ученые хотели бы получить оба свойства в одном полупроводнике.
Для преодоления препятствия ученые обратились к звуку. Их метод управления потоком электронов осуществляется за счет поверхностных акустических волн, распределяемых по поверхности кристалла примерно так же, как рябь распространяется по воде.
|
|
Схема оптической линии задержки:
1 - падающие лучи света; 2 - электроды управления; 3 - выходящие лучи света; 4 - положение электронов; 5 - подложка.
|
Создание таких волн - дело нехитрое. Здесь применено воздействие переменного электрического напряжения на пьезоэлектрический материал. Создаваемое волнами электрическое поле нарушает обычный режим проводимости полупроводников - электроны движутся, подчиняясь воздействию частоты. Когда пары проходят через волновые пики и впадины, они разделяются таким образом, что электроны движутся в направлении верхних точек волн, а положительные частицы - в направлении нижних. А как только они разделились, то уже не смогут сами воссоединиться и остаются в ловушке среды поверхностных акустических волн. Это - как при серфинге, когда спортсмен не может покинуть зоны прибоя.
В 1997 году ученики Виксфорта во главе со студентом Карстеном Рокке объявили о создании исключительно малого по своим размерам пьезоэлектрического "сэндвича", составленного из слоев индия и полупроводников на основе галлия. Когда с помощью высокочастотного электрического поля в таком "сэндвиче" была создана поверхностная акустическая волна, вспышка лазера вызвала в жизни пары электронов и положительных частиц, которые в этом случае были надежно разведены с помощью поля. Таким образом Рокке удалось продержать накопленную энергию несколько микросекунд, что в 1000 раз продолжительнее естественной жизни электронов и "дырок".
И это только начало. Время задержки может быть еще большим, если использовать "сэндвич" больших размеров.
Комментируя этот опыт, Рокке подчеркнул, что теперь его команда способна на большее, чем простое удержание энергии фотона. Они могут отдавать команды, когда и в каком месте эта энергия должна высвободиться.
Технически это означает, что исследователи просто-напросто сводят на нет пики и впадины электрического поля. Причем могут добиться этого двояким способом. Либо путем размещения тонкого металлического электрода в верхней точке кристалла, либо путем направления одной звуковой волны навстречу другой с помощью поля противоположной фазы. Когда электроны и положительные частицы воссоединяются, они производят вспышку фотонов примерно такой же энергии, какая имелась первоначально.
Словом, получается, что Рокке и его коллеги словно бы заключили свет в ловушку примерно так же, как сказочного джинна, помещают в лампу или бутылку.
Правда, имеет смысл указать на особенности опыта. Все описанные эксперименты начинали проводить при температуре жидкого гелия - 4 градуса выше абсолютного нуля, что, разумеется, не так уж удобно для ежедневного применения. Сегодня команда Рокке тот же самый эффект получает при температуре жидкого азота. Следующим этапом, как полагают, будет попытка создания оптической линии задержки, работающей при комнатной температуре.
Экспериментаторы считают, что гибкость в работе созданного устройства позволяет не только удерживать на какое-то время свет, но и выполнять такие операции, как соединение ряда входящих оптических сигналов в один либо разделение их в обратном порядке. Виксфорт открыл, что может даже изменять длину волны воспроизведенного света путем простого сжатия полупроводника. Исследователи смогут использовать эту особенность, когда потребуется закодировать какую-то дополнительную информацию.
Другое практическое использование устройств может состоять в оптическом распознании по образцам, в фильтровании, накоплении, восстановлении изображения. Причем можно будет использовать не только свет. Виксфорт предвкушает загрузку и чтение каждой из ячеек памяти благодаря использованию пар "электроны - дырки", которые переносятся поверхностными акустическими волнами. Заложенная про запас информация может в этом случае передаваться даже от одной ячейки в следующую для использования.
В перспективе, используя лазерный свет вместо проводов и параллелизм обработки данных, исследователи намерены сконструировать оптический компьютер, каких еще не было. "Это будет настоящий пожиратель цифровых данных", - охарактеризовал его профессор Виксфорт.
|
