Юный техник, 2000 № 01

Ловушка для света

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.

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 проблемаздесь 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.

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».

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.}

Схема оптической линии задержки:

_{1 — падающие лучи света; 2 — электроды управления; 3 — выходящие лучи света; 4 — положение электронов; 5 — подложка.}

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.

В. ДУБИНСКИЙ

Художник Ю. САРАФАНОВ

Коттедж из бумаги

Помните, в сказке Заяц построил себе избушку лубяную, а Лиса ледяную?

И нельзя сказать, что Патрикеевна поступила совсем уж безграмотно. Из льда тоже можно строить долговременные и прочные сооружения, надо только умело ограждать их от прямых солнечных лучей. А вот Заяц и впрямь новатор. Луб — почти что бумага. А строить бумажные дома додумались только сегодня. И подтолкнула к этому архитекторов и строителей экологическая необходимость.

Судите сами.

В мире сегодня выпускается огромное количество газет, журналов и прочей полиграфической продукции. Большая часть изданий после прочтения заканчивает свое существование на мусорной свалке. Разве это по-хозяйски?

Правда, неоднократно предпринимались попытки повторного использования макулатуры. Однако бумага из нее получается низкосортная, годится разве что для обертки и производства упаковочного картона.

И того и другого требуется не так уж много, поэтому до последнего времени значительная часть макулатуры поступала в мусоросжигательные печи, заполняя округу копотью и дымом. Иной выход предложил швейцарский дизайнер и архитектор, а заодно и изобретатель Фреди Изеле. В 1996 году он основал в ФРГ фирму, которая занимается конструированием и производством из бумаги… домов.

Технология крайне проста и базируется на идее всем известного детского «конструктора».

— Для сборки домов на заводе производятся универсальные элементы, снабженные креплениями, — рассказывает Изеле. — Из таких элементов можно даже вручную, без применения какой-либо техники, используя лишь шурупы и клей, собрать полноценный дом всего за 4 рабочих дня. После отделки такой коттедж по внешнему виду ничем не будет отличаться от своих собратьев, построенных из традиционных материалов.

А быстрота возведения стен стала возможной благодаря легкости элементов, из которых дом строится. Ведь панели, по существу, представляют собой сотовые конструкции.

Чтобы понять, что это такое, обратимся к простейшему опыту.

Отрежем от листа писчей бумаги полоску шириной в 2–3 см и перегнем ее несколько раз, так чтобы получилась своего рода гармошка. Если теперь поставить такую гофрированную полоску бумаги на ребро, то можно убедиться в ее немалой жесткости — она выдержит, например, вес стакана с водой. Этот принцип и положен в основу производства строительных элементов из бумаги.

Сначала бумажный рулон режется на листы, которые затем гофрируются и склеиваются. Полученный пакет опять-таки складывается в несколько слоев, а сверху облицовывается оргалитом или ДСП, образуя панели, по форме вполне стандартные. Однако они легче, скажем, бетонных в десятки раз.

Но несмотря на легкость, картонные блоки обладают достаточной прочностью. В ходе эксперимента настил, выстланный из таких плит, выдержал автопогрузчик весом в 12 тонн!

А вот деревянный помост под его тяжестью изрядно просел…

— Точно так же мы можем изготовлять и потолочные перекрытия длиной до 6 метров, — говорит Изеле. — При этом они будут в полной мере отвечать всем стандартам безопасности: выдержат нагрузку в 300 с лишним килограммов на квадратный метр…

Еще одна выгода от использования бумаги в строительстве — дешевизна, ведь на изготовление панелей идет, по существу, бросовый материал, макулатура. Ниже становятся и транспортные расходы, поскольку за один рейс грузовик может перевезти куда больше бумажных панелей, чем бетонных. По расчетам экспертов, цена жилой площади в таком доме составит примерно пятую часть стоимости обычного жилья.

А чтобы наша «бумажная» вилла в один несчастливый день не сгорела, все заготовки пропитываются специальными составами. В итоге даже под пламенем газовой горелки такая стена лишь тлеет, но не горит. То же покрытие, кстати, обеспечивает панелям и влагостойкость, а также защищает их от неутомимых насекомых-древоточцев.

Подобные дома могут оказаться весьма кстати для обеспечения дешевым жильем беженцев из районов стихийного бедствия или зоны военных конфликтов — ведь комплект деталей для «бумажного» коттеджа легко доставить на место вертолетом или самолетом.

Впрочем, «бумажные» дома помогут заинтересовать и обычных индивидуальных застройщиков. Фирма Изеле привлекает клиентов не только тем, что дает им возможность построить дешевый дом без привлечения строительной техники, но позволяет в полной мере проявить свои собственные дизайнерские таланты.

Будущий жилец, он же и архитектор, и строитель, приходит на фирму и получает набор строительных конструкций, например, в масштабе 1:25. И в свободное время, не торопясь, создает из такого конструктора макет дома, какой ему по душе. Затем готовый макет поступает на фирму, где фотографируется и обмеряется. Все данные заносятся в компьютер. Он и рассчитает, сколько и каких элементов понадобится для строительства настоящего дома, их стоимость, а также выдаст комплект необходимых чертежей и схем.

Оплатив заказ, уже через несколько дней можно ждать грузовик, что доставит на выбранную стройплощадку весь набор необходимых деталей.

За неделю коробка дома будет полностью собрана, останется провести лишь отделочные работы. А если конструкция окажется настолько оригинальной, что придется по вкусу и другим покупателям, заказчику будет еще оплачена и его выдумка.

МОЖНО И ВПРЯМЬ КУПАТЬСЯ В… ДЕНЬГАХ!

Вы когда-нибудь задумывались над тем, куда деваются старые, истертые, уже вышедшие из употребления деньги. Их чаще всего сжигают, но лучше всего утилизировать, перемалывать в порошок. Он, в свою очередь, неплохой материал, из которого можно прессовать различные детали.

Во всяком случае, к такому выводу пришли специалисты из НПО «Вторсырье», расположенного в городе Балабаново Калужской области. Здесь разработана технология переработки макулатуры в брусья, балки и другие строительные конструкции.

Интересно, что один из местных бизнесменов, прослышав о такой экзотике, тут же закупил партию бруса и построил из него баню. А теперь хвастается друзьям, что прямо-таки купается в деньгах.

ШТАМПЫ ИЗ… ПАПЬЕ-МАШЕ?

Специалисты промышленного производства и автоматизации имени Фраунгофера в Магдебурге изготовляют из бумаги инструменты и детали станков.

Наша технология представляет собой разновидность лазерной стереолитографии (подробности см. в «ЮТ» № 12 за 1996 г. — Ред.), — рассказывает профессор магдебургского института Герман Кюльме. — Подчиняясь командам компьютера, лазерный луч направляется в ванну с расплавом синтетической смолы, замешенной на бумажной массе. Под лучом смесь затвердевает, сохраняя конфигурацию той или иной детали. По прочности они превосходят пластик, дерево и даже металл. Испытания показали, что из такой бумаги могут изготовляться даже матрицы и пуансоны для штампов, которые испытывают огромные механические нагрузки.