Мало-помалу слова "фотоника" и "спинтроника" становятся привычными в сводках ИТ-новостей, а обозначаемые ими направления исследований воспринимаются как действительно перспективные и инновационные. Но оказывается, что возможность использования квантовых характеристик фотонов, электронов, атомных ядер - далеко не все, что микромир долгое время хранил от человека в секрете.

Несколько лет назад к новомодным ИТ-направлениям прибавилось еще одно - атомтроника. Как можно судить по названию, в данном случае речь идет об использовании каких-то особых свойств атомов, не имеющих классического аналога. В известном смысле это так, хотя, скорее, речь идет об атомах, находящимся в весьма специфических условиях, а именно - при сверхнизких температурах. Такие атомы демонстрируют ряд замечательных свойств, важнейшие из которых сверхтекучесть, сверхпроводимость и когерентность.

В целой серии экспериментов, проводимых с конца 90-х годов, было установлено, что сверххолодные атомы под воздействием периодического в пространстве потенциала начинают вести себя подобно электронам в кристаллической решетке. Эксперименты проводились с конденсатом Бозе-Эйнштейна и ферми-газами в оптических решетках, т.е. периодических потенциалах, создаваемых интерферирующими лазерными лучами. В частности, сильновзаимодействующие сверххолодные бозе-газы являются сверхтекучими изоляторами с разрывным энергетическим спектром и настраиваемостью взаимодействий в оптических решетках.

Это обстоятельство побудило группу исследователей из Национального института стандартов и технологий (NIST) и Университета Колорадо под руководством М. Дж. Холланда (M.J.Holland) попытаться использовать столь хорошую управляемость поведением сверххолодных атомов для создания принципиально новых устройств, которые могли бы стать основой для компьютинга будущего. В последние годы подобные эксперименты проводили и другие исследовательские группы из Австрии, Великобритании и Испании. В частности, были созданы аналоги диода и одноатомного транзистора, которые предполагают манипулирование на одноатомном уровне. Также было показано, что конденсат Бозе-Эйнштейна в трехъямочном потенциале ведет себя аналогично полевому транзистору.

Группа Холланда поставила перед собой задачу разработать сверххолодные атомные аналоги материалов, демонстрирующих свойства проводников, изоляторов и полупроводников. Аналогия основывается именно на подобии поведения сверххолодных атомов в периодических потенциальных структурах и электронов в кристаллах. В обоих случаях движение частиц происходит за счет туннелирования через потенциальные барьеры в решетках. Аналогом электрического тока при этом оказывается поток атомов. В обоих случаях должна существовать разность потенциалов, которая заставит частицы двигаться из области высокого потенциала в область низкого. Градиент может быть создан с помощью так называемой атомтронной батареи, т.е. двух потенциальных ям с высоким и низким содержанием атомов.

Сильновзаимодействующие сверххолодные атомы в периодических потенциальных структурах ведут себя подобно фермионам (каковыми являются электроны), так из-за сильного взаимного отталкивания они не могут занимать одно и то же место в решетке. Для того, чтобы имел место ток, необходимо, чтобы в решетке были вакансии. В противном случае материал будет вести себя как изолятор.

Оказалось, что, модифицируя решетку или используя атомы разных элементов ("легируя" решетку), можно добиться p- и n-подобного поведения системы, а, следовательно, и построить аналоги полупроводниковых диодов и транзисторов. Эти устройства будут иметь замечательные отличия от своих электронных протообразов, в частности, практически не иметь сопротивления в силу сверхтекучести. Также группа Холланда разработала модель объединения таких устройств в атомтронные цепи. Ученые полагают, что они могут стать основой для создания особого класса квантовых вычислительных устройств.

Пока это, конечно, экзотика. Но кто знает?..

Сергей САНЬКО