Часть 1

Я уверен, что мы стоим на пороге новой революции в электронных технологиях. Революции, аналогичной той, которая произошла с изобретением микрочипа. А обеспечат её принципиально новые материалы, которые будут использоваться в микроэлектронике.

Когда-то давно, когда я изучал в БГУ биологию (со специализацией "биохимия"), был у меня невероятно сложный и столь же интересный предмет - молекулярная биология. Меня тогда просто поразило, как человек может конструировать сложнейшие биоструктуры из отдельных молекул, да и создавать сами эти молекулы - даже такие, которых и близко нет в природе.

Но биологические молекулы - это почти исключительно углерод, кислород, водород, фосфор да азот; другие элементы встречаются редко. А современные материаловеды работают со всей таблицей Менделеева. Там чудеса, там лом из чугуния плавает в ртути, там углерод существует в самых невероятных формах, там невозможно смочить поверхность...

Давайте же посмотрим, каких успехов добилось мировое материаловедение в 2012 году.

Чип на углеродных нанотрубках

Инженеры корпорации IBM сумели заменить в компьютерных чипах кремниевые элементы на углеродные нанотрубки. По их мнению, новая технология станет альтернативой кремнию при создании сверхбыстрой электроники.

За четыре десятилетия своего развития кремниевые микропроцессоры уже почти достигли предела своих физических свойств. А значит, эволюция компьютеров и смартфонов может закончиться уже через пару-тройку поколений процессоров.

Пока в лабораторных условиях исследователи IBM смогли разместить на одном чипе более 10 тыс. рабочих транзисторов, сделанных из углеродных нанотрубок. Этот показатель открывает путь для создания коммерческих компьютерных чипов, которые станут меньше, мощнее и быстрее своих кремниевых предшественников. Углеродные устройства позволят продолжить миниатюризацию вычислительных компонентов для электронных приборов.

Углеродные нанотрубки - это особый класс полупроводниковых материалов, электрические свойства которых являются более привлекательными, чем у кремниевых. Например, они лучше подходят для создания наноразмерных транзисторов толщиной несколько десятков атомов. Электроны в углеродных транзисторах перемещаются намного быстрее, чем в кремниевых - это позволяет оперативнее передавать данные. Кроме того, нанотрубки на атомном уровне имеют идеальную для транзисторов форму.

Всё перечисленное прямо стимулирует замену привычных кремниевых транзисторов углеродными, что в будущем поможет компьютерным технологиям выйти на новый уровень.

По мнению экспертов, переход на углерод в ближайшем будущем электроники неизбежен. "Углерод обладает более мелкой структурой, чем кремний, поэтому он является более изящным решением для производства транзисторов. То, что сделали специалисты IBM, - это первые шаги в данной области, которые приведут к созданию объемных процессоров, к чему многие стремятся. Скорее всего, кремний никуда не исчезнет, а будет использоваться небольшими компаниями для производства различных компонентов", - говорят они.

Графит: сверхпроводимость при комнатной температуре

Международная группа физиков обнаружила, что порошковый графит, обработанный водой, может при комнатной температуре проявлять ряд свойств, характерных для сверхпроводников. Эксперимент, выявивший необычные электрические свойства у графита, выглядел так: тонкодисперсный порошок углерода с гранулами диаметром не более несколько десятков нанометров настаивали в воде на протяжении 24 часов, после чего отфильтровали и высушили при температуре 100 градусов в течение ночи. Далее у порошка замерили различные параметры магнитного момента при разных температурах.

Как выяснилось, обработанный таким нехитрым образом графит демонстрирует резкие фазовые переходы магнитного момента, характерные для высокотемпературных сверхпроводников. Однако он проявляет эти свойства в комнатных условиях (27 градусов Цельсия), то есть, при температуре на десятки градусов выше, чем самые высокотемпературные из известных до сих пор сверхпроводников.

Правда, впереди ещё много работы. Во-первых, электрические эффекты наблюдаются только на поверхности гранул и затрагивают не более миллионной доли атомов углерода. Во-вторых, эффект весьма нестоек - при сминании частиц они теряют свои необычные свойства. В-третьих, из трех критериев сверхпроводимости пока доказано наличие только фазового перехода у магнитного момента. Ни отсутствие сопротивления в материале, ни выталкивание им магнитного поля (эффект Мейсснера) физики ещё не доказали.

По мнению учёных, поверхностная сверхпроводимость в графите может быть связана с недавно установленным влиянием воды на известные сверхпроводники. Исследователи, установившие этот эффект, также обрабатывали свои образцы не только водой, но и различными напитками: пивом, саке и вином различных марок. Физики полагают, что во всех случаях на электрические свойства материалов оказывает воздействие допирование поверхности атомами водорода.

Сульфид молибдена: электроника толщиной в один атом

Инженеры из знаменитого MIT (Массачусетского технологического института) создали целый набор электронных устройств на базе одноатомного листа сульфида молибдена. Прежде подобные эксперименты проводились на базе одноатомного углерода, но неудачно.

Сульфид молибдена широко используется в промышленности в качестве смазки, но лишь несколько лет назад выяснилось, что оно может существовать в плоской двумерной форме.

В ходе своих экспериментов массачусетские исследователи наносили слой одноатомного сульфида молибдена на подложку из диоксида кремния, формировали нужную им структуру и подключали металлические контакты. В результате удалось создать несколько электронных устройств на основе двумерного вещества: инвертор (обращает подаваемое на него напряжение), логический вентиль NAND (используется при построении процессоров) и даже 12-транзисторный осциллятор (создаёт колебания разной частоты).

По мнению ученых, разработанная ими технология изготовления электронных компонентов на сульфиде молибдена позволит создавать полноценные тонкослойные процессоры, прозрачные светодиодные экраны и гибкую электронику.

Магнитный феномен позволит хранить информацию сверхплотно

Физики из Германии недавно обнаружили магнитный феномен, который может помочь в создании новых систем хранения данных, обладающих очень высокой скоростью работы при сверхплотном размещении информации. В серии экспериментов, проведенных на ускорителе элементарных частиц Bessy II, немецкие ученые разработали систему сверхбыстрого перемагничивания, а также разгадали странное явление, природа которого была прежде непонятна.

Как известно, в магнитной памяти данные кодируются посредством обратного намагничивания крошечных точек. Такая память работает с использованием магнитных моментов атомов, которые могут находиться в любом параллельном или антипараллельном выравнивании, представляя собой логические нули или единицы. Выравнивание определяется квантово-механическим эффектом и называется "обменным взаимодействием". В магнитной динамике это явление считается самым сильным и быстрым: оно занимает меньше миллиардной доли секунды, то есть, за секунду взаимодействие точек может меняться очень много раз.

Немецкий физик Илие Раду вместе с группой коллег исследовал поведение магнитного выравнивания и обменного взаимодействия, подобных тем, что происходят в современных накопителях. Ученые в своих экспериментах использовали ультракороткий лазерный излучатель, нагревающий материал, чтобы спровоцировать процесс перемагничивания. "Это необычное сочетание фемтосекундного лазера и круговой поляризации. Такие условия были воссозданы на источнике синхротронного излучения", - рассказал журналистам Илие Раду.

В качестве объекта изучения были взяты сплавы гадолиния, железа и кобальта (GdFeCo), в котором магнитные моменты в естественных условиях антипараллельны. Воздействуя фемтосекундным лазером, ученые смогли выделить отдельные элементы. Полной неожиданностью для физиков стало то, что в ходе изменения намагниченности атомы вещества становились выравненными параллельно друг другу - это делало материал очень сильным магнитом.

Сейчас немецкие физики разрабатывают новые терагерцовые излучатели, которые смогут работать с данным эффектом, создавая носители с очень плотной записью и быстрым доступом к информации.

Электроника бывает растворимой

Американские ученые создали электронные элементы нового типа - они способны растворяться естественным путем. Новая технология получила название "временная электроника". Её элементы созданы из микроскопически тонкой смеси шелка с соединениями магния и кремния - эта смесь растворяется через несколько дней пребывания в воде.

Как считают исследователи, их изобретение может оказать значительное влияние не только на медицину, но и на другие сферы человеческой жизни. В медицине разработка может быть использована при создании медицинских имплантатов, для мониторинга работы органов и доставки лекарственных препаратов напрямую к целевым тканям.

В потребительской электронике новая технология может применяться при создании мобильных телефонов и других электронных устройств, которые по завершении срока использования будут попросту растворяться, а не валяться на свалках на протяжении тысячелетий.

Виктор ДЕМИДОВ