Туннельный эффект, аттосекундный лазер и поверхностные плазмоны

В сегодняшнем выпуске радиожурнала речь пойдёт о таких непростых вещах, как туннельный эффект, аттосекундный лазер и поверхностные плазмоны. Только, пожалуйста, не пугайтесь! Конечно, за всеми этими терминами кроются действительно сложные материи, однако мы всё же обойдёмся без высшей математики и постараемся, пусть даже ценой некоторых упрощений, достаточно доходчиво рассказать вам о новых работах в области физики. Пока все они относятся к категории сугубо фундаментальных исследований, всерьёз говорить об их практическом применении ещё рано, и всё же они открывают чрезвычайно интересные перспективы, в том числе и в прикладном плане.

Профессор физики Гамбургского университета Маркус Дрешер (Markus Drescher) исследует туннельный эффект, позволяющий микрочастице преодолевать потенциальный барьер, даже если её энергия ниже высоты барьера. В классической, то есть ньютоновской физике, такой феномен принципиально невозможен: так, если у шарика, закатившегося в лунку, недостаточно энергии, чтобы, преодолев край лунки, выкатиться наружу, то он обречён оставаться внутри неё, пока что-то или кто-то извне не придаст ему необходимую избыточную энергию. Но в мире микрочастиц, которые перемещаются со скоростями, соизмеримыми со скоростью света, и обладают как корпускулярными, так и волновыми свойствами, действуют совсем иные законы, – подчёркивает профессор Дрешер:

Этот туннельный эффект – эффект квантовый. Он возможен только в мире квантовой механики и не имеет аналога в механике классической. Это всё равно, как если бы я обладал способностью проходить сквозь стены. Но элементарные частицы, из которых состоит наша материя, – они это могут.

Квантовая теория, выдвинутая более ста лет назад Максом Планком (Max Planck), провозгласила дискретность энергии: точно так же, как любая материя состоит из атомов, так и любая энергия состоит из мельчайших неделимых порций. Эти порции получили название кванты. Позднее, применив квантовую теорию к строению атома, Нильс Бор (Niels Bohr) создал модель, объяснившую, почему электроны могут передвигаться вокруг ядра только по строго определённым орбитам. Однако эта модель обладала рядом недостатков, что и стало толчком к разработке квантовой механики – теории движения микрочастиц, – в создание которой большой вклад внёс Эрвин Шрёдингер (Erwin Schrödinger). Именно в рамках этой теории и получил объяснение туннельный эффект. Между тем, квантовое туннелирование – то есть своего рода «просачивание» микрочастиц сквозь потенциальный энергетический барьер – лежит в основе многих природных явлений и процессов. Скажем, без туннельного эффекта был бы невозможен радиоактивный распад тяжёлых элементов: альфа-частица, состоящая из двух нейтронов и двух протонов, не обладает достаточной свободной энергией, чтобы преодолеть силу внутриядерных связей и вырваться наружу, тем не менее существует вероятность, что ей удастся – благодаря туннельному эффекту – преодолеть этот барьер; наличие спонтанного альфа-излучения, например, урана подтверждает, что эта вероятность реализуется. Без туннельного эффекта был бы невозможен и процесс термоядерного синтеза, питающий энергией Солнце и другие светила. Только благодаря туннельному эффекту два ядра дейтерия способны сблизиться, преодолев силу взаимного отталкивания, и образовать ядро гелия-3, испустив один нейтрон. Таким образом, и само существование жизни на Земле непосредственно зависит от туннельного эффекта. Но он находит и прикладное применение в рукотворных изделиях, – говорит профессор Дрешер:

Сегодня он уже широко используется в технике. Существуют, например, полупроводниковые элементы – скажем, туннельные диоды и туннельные транзисторы, – в основе действия которых лежит этот эффект. Да и такой прибор, как электронный сканирующий микроскоп, построен на туннельном эффекте.

Но общая теория, объясняющая туннельный эффект, – это одно. А как он протекает в деталях? Чтобы ответить на этот вопрос, профессор Дрешер совместно с группой коллег задумал и осуществил сложный эксперимент. Объектом для наблюдения был выбран газ неон. Атом неона состоит из ядра, прочно удерживающего обращающиеся вокруг него электроны. Для того, чтобы создать условия для туннельного эффекта и дать электронам шанс вырваться на свободу, физикам понадобились сильные электрические поля – поля, соответствующие напряжению в миллион вольт. Профессор Дрешер поясняет:

Это напряжение, сравнимое с напряжениями, возникающими при разряде молнии. Иными словами, нам надо было воспроизвести в лаборатории что-то вроде молнии, создать такую разность потенциалов, какая возникает между грозовой тучей и поверхностью Земли, – но только на расстоянии не в километры, а в один сантиметр.

Чтобы создать разность потенциалов в 1 миллион вольт в столь малом пространстве, профессор Дрешер и его коллеги использовали особый импульсный лазер:

Хитрость состоит в том, что мы очень сильно фокусируем луч и в то же время делаем импульсы чрезвычайно короткими. Это позволяет получать излучение очень высокой интенсивности и, соответственно, очень сильные электрические поля.

Чтобы вызвать туннельный эффект, физики подвергли неон воздействию двух быстро следующих один за другим лазерных импульсов. Первый как бы закачивает в атом некоторое количество энергии, а второй распахивает ворота в туннель, на одно короткое мгновение предоставляя электронам возможность улизнуть из атома, преодолев притяжение ядра. Профессор Дрешер говорит:

Таким образом нам удалось теперь проследить за тем, как электроны из атомов неона преодолевают этот туннельный барьер.

Собственно, проследить – это сильно сказано. Опыт позволил, да и то лишь очень приблизительно, оценить скорость туннельного перехода:

Верхняя граница скорости в туннеле такова, что весь переход занимает не более 300 аттосекунд. Более точные цифры мы получить пока не можем.

Аттосекунда – это одна квинтильонная часть секунды. Представить себе столь короткий отрезок времени человеческое воображение не в силах. Да и физики до недавних пор имели дело лишь с фемтосекундами – отрезками времени, в тысячу раз превышающими аттосекунду. Но и фемтосекунду – одну миллионную часть одной миллиардной части секунды – представить себе тоже нелегко. Профессор Йоахим Ульрих (Joachim Ulrich), директор Института ядерной физики имени Макса Планка в Гейдельберге, приводит такое сравнение:

Свет за одну секунду может почти 8 раз облететь вокруг Земли. За одну фемтосекунду он успеет продвинуться на толщину человеческого волоса.

Группа учёных под руководством профессора Ульриха специализируется на создании специальных ультракороткоимпульсных лазеров. Предназначены они, прежде всего, для научных исследований:

Теперь можно попытаться с помощью этих импульсов понаблюдать с высоким временным разрешением, как протекают быстрые процессы в природе. Например, колебания атомов внутри молекул.

Используя фемтосекундный лазер, можно произвести видеосъёмку таких процессов со скоростью один квадрильон кадров в секунду. Правда, этой скорости не хватит, чтобы запечатлеть туннельный переход, но её вполне достаточно, чтобы проследить за течением многих химических реакций. Профессор Ульрих поясняет:

Цель, которую преследует фемтосекундная физика, состоит, конечно, в том, чтобы эти химические реакции ещё и контролировать.

Иными словами, профессор Ульрих хочет не только наблюдать за молекулами, но и в известной мере управлять ими, заставляя вступать в контакт с другими молекулами по выбору исследователей. Учёным видится некий химический конструктор, в котором нужные детали подталкиваются в нужное место световыми импульсами. Преимущество такой технологии состоит в том, что она позволяет получать именно то, что нужно, без каких-либо побочных продуктов. Но пока это, естественно, не более чем утопия. Сегодня даже наблюдение за атомами и молекулами даётся с огромным трудом, но учёные продолжают совершенствовать свои приборы. Совсем недавно группа профессора Ульриха разработала аттосекундный лазер, продолжительность импульсов которого измеряется уже даже не фемто-, а аттосекундами. Впрочем, сам профессор оценивает этот успех сдержанно:

Аттосекунда – это одна тысячная доля фемтосекунды. До этого нам ещё очень далеко. Сегодня мы достигли всего лишь ста аттосекунд, то есть одной десятой доли фемтосекунды. Тем не менее всё это именуется уже аттосекунднаой физикой, потому что она базируется на иной технологии.

Эта технологии использует то обстоятельство, что световые волны – точно так же как акустические – имеет обертона. И частота их колебаний во много раз превышает частоту основного тона – или основного цвета. С помощью световых импульсов, следующих один за другим с интервалом всего лишь в 100 аттосекунд, учёные могут теперь отслеживать процессы более быстрые, нежели колебания атомных ядер. Вскоре они уже замахнутся на то, чтобы наблюдать движения электронов. Профессор Ульрих говорит:

Электрон в атоме водорода совершает один оборот вокруг ядра примерно за 150 аттосекунд. Это для нас пока слишком быстро. Но если этот электрон перевести с его стандартной орбиты на, скажем так, более высокую и, соответственно, более длинную, то период его обращения увеличится, и мы получим возможность за ним понаблюдать.

Но одним лишь наблюдением дело, как водится, не ограничится: как только появится такая возможность, физики начнут и активно влиять на поведение электронов в атоме. Понятно, что вопрос о прикладных применениях такой технологии ставить пока рано, – признаёт профессор Ульрих. Но у него уже есть некие представления о том, как может выглядеть будущее:

Можно представить себе, что в конце концов мы будем располагать химическими фабриками, в которых все производственные процессы контролируются на совершенно ином уровне. Цеха – это помещения с микроструктурированными стенами, все соответствующие реактивы подаются по наноканальцам, а по пути их следования в определённых точках встроены компактные твердотельные лазеры, задающие ту частоту, которая необходима для получения нужного продукта реакции. Конечно, это мечты, они могут стать явью, а могут и не стать.

С лазерами и микрочастицами экспериментируют и испанские физики – правда, они занимаются не реальными, а одной из разновидностей так называемых квазичастиц, то есть частиц, выдуманных учёными для удобства описания того или иного явления, в котором энергия ведёт себя как некая квантовая частица. В данном случае речь идёт о квазичастицах, получивших название «поверхностные плазмоны». Дело в том, что если на тонкую металлическую плёнку направить лазерный луч соответствующей частоты, то электроны проводимости начинают синхронно колебаться, и эти колебания со скоростью света распространяются по поверхности плёнки. Такое переменное поле может быть описано как газ, состоящий из квантовых частиц, которые учёные и назвали поверхностными плазмонами – в отличие от объёмных плазмонов, описывающих колебания электронов проводимости внутри ионной решётки кристалла. Поверхностные плазмоны возникают тогда, когда возникновение объёмных плазмонов невозможно, а это зависит от частоты возбуждающего поля лазерного луча. Именно эта коллективная вибрация зарядов на поверхности металлической фольги и является предметом изучения группы физиков из университета Сарагосы. Один из них – Луис Мартин-Мореньо (Luis Martin-Moreño), специалист в области интегральных микросхем, – поясняет:

Наша цель состоит в том, чтобы повысить их быстродействие. Сами по себе компьютерные микропроцессоры работают чрезвычайно быстро, но всё упирается в медные проводники, соединяющие между собой отдельные транзисторы. Ведь чем они тоньше, тем выше в них сопротивление, а чем они плотнее упакованы, тем выше паразитная ёмкость. Между тем, задержка в распространении сигнала определяется произведением этих двух величин. Выходом из тупика могут стать оптические проводники, и тут ключевую роль, как нам кажется, должны сыграть поверхностные плазмоны. Эти колебания зарядов позволяют нам преобразовывать токи в электромагнитные волны, которые распространяются со скоростью света. А затем их можно преобразовать обратно в электрические токи. Поверхностные плазмоны выполняют функцию связующего звена между оптикой и электроникой.

Однако пока практическое применение этих квазичастиц в производстве интегральных схем наталкивается на ряд технологических сложностей. Главная состоит в том, что при облучении лазером тонких – в сто раз тоньше человеческого волоса – металлических плёнок поверхностные плазмоны распространяются во все стороны, как волны от брошенного в пруд камня. Однако для транспортировки информации необходимо строго направленное распространение колебаний. И вот в решении именно этой проблемы испанские физики добились теперь серьёзного успеха:

Что нам удалось, так это создать источник поверхностных плазмонов, излучающий электронные волны лишь в одном направлении. Важно также, что линейные размеры этого источника чрезвычайно малы.

Источник представляет собой зазор шириной в 160 нанометров в фольге из золота, которая с изнанки облучается лазером. Вокруг точки падения луча на золотую плёнку начинается вибрация поверхностных электронов, волны которой поначалу распространяются равномерно во все стороны. Но затем ситуация меняется:

Хитрость состоит в том, чтобы создать своего рода зеркало, способное перенаправить все плазмоны в одну сторону. Такой наноотражатель представляет собой миниатюрную дифракционную решётку – ряд тончайших бороздок в золотой фольге на расстоянии в несколько сотен нанометров друг от друга. Плазмоны отражаются на этих бороздках, возникает интерференция, и это позволяет нам направить весь пучок в нужном направлении.

Такой приём позволяет даже фокусировать коллективные колебания зарядов в одной точке, что, по оценке экспертов, является значительным прогрессом. Однако обеспечить высокую эффективность метод ещё не может: в плазмоны преобразуется лишь 5-10 процентов энергии лазерного луча. Да и сам лазер, конечно, не может быть использован в интегральной схеме как источник возбуждающего поля. Поэтому Луис Мартин-Мореньо полагает, что направленный источник плазмонов, созданный испанскими учёными, пока представляет интерес только для их коллег – физиков-экспериментаторов:

Я думаю, что он найдёт применение в лабораториях, которые занимаются исследованиями в этой же области.

Кроме того, поверхностные плазмоны быстро затухают, не преодолев и миллиметра пути – этого явно недостаточно для современных чипов. Так что без новых идей здесь не обойтись.