Антология выдающихся достижений в науке и технике. Часть 38: Лауреаты Нобелевской премии по физике за 2005 - 2010 гг.

Приведен краткий аналитический обзор выдающихся научных достижений ученых мира, отмеченных Нобелевской премией по физике за период 2005-2010 гг. В число таких достижений вошли создание квантовой теории оптической когерентности, развитие лазерной точной спектроскопии, открытие чëрнотельной формы сп...

Повний опис

Збережено в:

Бібліографічні деталі
Дата:	2017
Автор:	Баранов, М.И.
Формат:	Стаття
Мова:	Russian
Опубліковано:	Інститут технічних проблем магнетизму НАН України 2017
Назва видання:	Електротехніка і електромеханіка
Теми:	Електротехніка. Визначні події. Славетні імена
Онлайн доступ:	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/147565
Теги:	Додати тег Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:	Антология выдающихся достижений в науке и технике. Часть 38: Лауреаты Нобелевской премии по физике за 2005 - 2010 гг. / М.И. Баранов // Електротехніка і електромеханіка. — 2017. — № 3. — С. 3-15. — Бібліогр.: 31 назв. — рос.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-147565
record_format	dspace
spelling	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-1475652025-02-09T11:02:12Z Антология выдающихся достижений в науке и технике. Часть 38: Лауреаты Нобелевской премии по физике за 2005 - 2010 гг. An anthology of the distinguished achievements in science and technique. Part 38: Nobel Prize Laureates in Physics for 2005-2010 Баранов, М.И. Електротехніка. Визначні події. Славетні імена Приведен краткий аналитический обзор выдающихся научных достижений ученых мира, отмеченных Нобелевской премией по физике за период 2005-2010 гг. В число таких достижений вошли создание квантовой теории оптической когерентности, развитие лазерной точной спектроскопии, открытие чëрнотельной формы спектра и анизотропии космического микроволнового фонового излучения, открытие эффекта гигантского магнетосопротивления, открытие механизма спонтанного нарушения симметрии в субатомной физике, разработка новой технологии передачи света в оптических волокнах, изобретение полупроводниковой схемы для регистрации изображений и результаты новаторских экспериментов по исследованию двумерного материала графена. Наведено короткий аналітичний огляд основних наукових досягнень вчених світу, які відмічені Нобелівською премією по фізиці за період 2005-2010 рр. До числа таких досягнень увійшли створення квантової теорії оптичної когерентності, розвиток лазерної точної спектроскопії, відкриття чорнотільної форми спектру і анізотропії космічного мікрохвильового фонового випромінювання, відкриття ефекту гігантського магнетоопору, відкриття механізму спонтанного порушення симетрії в субатомній фізиці, розробка нової технології передачі світла в оптичних волокнах, винахід напівпровідникової схеми для реєстрації зображень і результати новаторських експериментів по дослідженню двовимірного матеріалу графена Purpose. Implementation of brief analytical review of the distinguished scientific achievements of the world scientistsphysicists, awarded the Nobel Prize in physics for period 2005- 2010 yy. Methodology. Scientific methods of collection, analysis and analytical treatment of scientific and technical information of world level in area of modern theoretical and experimental physics. Results. The brief analytical review of the scientific openings and distinguished achievements of scientists-physicists is resulted in area of modern physical and technical problems which were marked by the Nobel Prizes in physics for the period 2005-2010. Originality. Systematization is executed with exposition in the short concentrated form of the known scientific and technical materials, devoted creation of quantum theory of optical coherentness by scientists-physicists, development of laser exact spectroscopy, opening form of spectrum for a black body and anisotropy of space microwave base-line radiation, opening of effect of giant magnetoresistance, opening of mechanism of spontaneous violation of symmetry in subatomic physics, development of new technology of transmission of light in optical fibres, invention of a semiconductor circuit for registration of images and results of innovative experiments on research of 2D material of graphen. Practical value. Popularization and deepening of scientific and technical knowledges for students, engineers and technical specialists and research workers in area of modern theoretical and experimental physics, extending their scientific range of interests and collaboration in further development of scientific and technical progress in human society 2017 Article Антология выдающихся достижений в науке и технике. Часть 38: Лауреаты Нобелевской премии по физике за 2005 - 2010 гг. / М.И. Баранов // Електротехніка і електромеханіка. — 2017. — № 3. — С. 3-15. — Бібліогр.: 31 назв. — рос. 2074-272X DOI: https://doi.org/10.20998/2074-272X.2017.3.01 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/147565 621.3.01 ru Електротехніка і електромеханіка application/pdf Інститут технічних проблем магнетизму НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
topic	Електротехніка. Визначні події. Славетні імена Електротехніка. Визначні події. Славетні імена
spellingShingle	Електротехніка. Визначні події. Славетні імена Електротехніка. Визначні події. Славетні імена Баранов, М.И. Антология выдающихся достижений в науке и технике. Часть 38: Лауреаты Нобелевской премии по физике за 2005 - 2010 гг. Електротехніка і електромеханіка
description	Приведен краткий аналитический обзор выдающихся научных достижений ученых мира, отмеченных Нобелевской премией по физике за период 2005-2010 гг. В число таких достижений вошли создание квантовой теории оптической когерентности, развитие лазерной точной спектроскопии, открытие чëрнотельной формы спектра и анизотропии космического микроволнового фонового излучения, открытие эффекта гигантского магнетосопротивления, открытие механизма спонтанного нарушения симметрии в субатомной физике, разработка новой технологии передачи света в оптических волокнах, изобретение полупроводниковой схемы для регистрации изображений и результаты новаторских экспериментов по исследованию двумерного материала графена.
format	Article
author	Баранов, М.И.
author_facet	Баранов, М.И.
author_sort	Баранов, М.И.
title	Антология выдающихся достижений в науке и технике. Часть 38: Лауреаты Нобелевской премии по физике за 2005 - 2010 гг.
title_short	Антология выдающихся достижений в науке и технике. Часть 38: Лауреаты Нобелевской премии по физике за 2005 - 2010 гг.
title_full	Антология выдающихся достижений в науке и технике. Часть 38: Лауреаты Нобелевской премии по физике за 2005 - 2010 гг.
title_fullStr	Антология выдающихся достижений в науке и технике. Часть 38: Лауреаты Нобелевской премии по физике за 2005 - 2010 гг.
title_full_unstemmed	Антология выдающихся достижений в науке и технике. Часть 38: Лауреаты Нобелевской премии по физике за 2005 - 2010 гг.
title_sort	антология выдающихся достижений в науке и технике. часть 38: лауреаты нобелевской премии по физике за 2005 - 2010 гг.
publisher	Інститут технічних проблем магнетизму НАН України
publishDate	2017
topic_facet	Електротехніка. Визначні події. Славетні імена
url	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/147565
citation_txt	Антология выдающихся достижений в науке и технике. Часть 38: Лауреаты Нобелевской премии по физике за 2005 - 2010 гг. / М.И. Баранов // Електротехніка і електромеханіка. — 2017. — № 3. — С. 3-15. — Бібліогр.: 31 назв. — рос.
series	Електротехніка і електромеханіка
work_keys_str_mv	AT baranovmi antologiâvydaûŝihsâdostiženijvnaukeitehnikečastʹ38laureatynobelevskojpremiipofizikeza20052010gg AT baranovmi ananthologyofthedistinguishedachievementsinscienceandtechniquepart38nobelprizelaureatesinphysicsfor20052010
first_indexed	2025-11-25T20:55:42Z
last_indexed	2025-11-25T20:55:42Z
_version_	1849797266085249024
fulltext	Електротехніка. Визначні події. Славетні імена ISSN 2074-272X. Електротехніка і Електромеханіка. 2017. №3 3 © М.И. Баранов УДК 621.3: 537.8: 910.4 doi: 10.20998/2074-272X.2017.3.01 М.И. Баранов АНТОЛОГИЯ ВЫДАЮЩИХСЯ ДОСТИЖЕНИЙ В НАУКЕ И ТЕХНИКЕ. ЧАСТЬ 38: ЛАУРЕАТЫ НОБЕЛЕВСКОЙ ПРЕМИИ ПО ФИЗИКЕ ЗА 2005−2010 гг. Наведено короткий аналітичний огляд основних наукових досягнень вчених світу, які відмічені Нобелівською премією по фізиці за період 2005-2010 рр. До числа таких досягнень увійшли створення квантової теорії оптичної когерентно- сті, розвиток лазерної точної спектроскопії, відкриття чорнотільної форми спектру і анізотропії космічного мікро- хвильового фонового випромінювання, відкриття ефекту гігантського магнетоопору, відкриття механізму спонтан- ного порушення симетрії в субатомній фізиці, розробка нової технології передачі світла в оптичних волокнах, винахід напівпровідникової схеми для реєстрації зображень і результати новаторських експериментів по дослідженню двови- мірного матеріалу графена. Бібл. 31, рис. 25. Ключові слова: сучасна фізика, досягнення, квантова теорія оптичної когерентності, лазерна надточна спектроскопія, космічне мікрохвильове фонове випромінювання, ефект гігантського магнітоопору, спонтанне порушення симетрії в субатомній фізиці, передача світла в оптичних волокнах, напівпровідникова схема для реєстрації зображень, двови- мірний матеріал графен. Приведен краткий аналитический обзор выдающихся научных достижений ученых мира, отмеченных Нобелевской премией по физике за период 2005-2010 гг. В число таких достижений вошли создание квантовой теории оптической когерентности, развитие лазерной точной спектроскопии, открытие чëрнотельной формы спектра и анизотропии космического микроволнового фонового излучения, открытие эффекта гигантского магнетосопротивления, откры- тие механизма спонтанного нарушения симметрии в субатомной физике, разработка новой технологии передачи света в оптических волокнах, изобретение полупроводниковой схемы для регистрации изображений и результаты новаторских экспериментов по исследованию двумерного материала графена. Библ. 31, рис. 25. Ключевые слова: современная физика, достижения, квантовая теория оптической когерентности, лазерная сверхточ- ная спектроскопия, космическое микроволновое фоновое излучение, эффект гигантского магнетосопротивления, спонтанное нарушение симметрии в субатомной физике, передача света в оптических волокнах, полупроводниковая схема для регистрации изображений, двумерный материал графен. Введение. Как известно, в 1900 г. выдающийся немецкий физик-теоретик Макс Планк (1858-1947 гг.) разработал квантовую теорию теплового излучения абсолютно чëрного тела (АЧТ), в соответствии с ко- торой тепловой поток от АЧТ содержал отдельные дискретные порции («кванты») энергии [1, 2]. Имен- но за открытие дискретных квантов «действия» (энер- гии) М. Планку в 1918 г. была присуждена Нобелев- ская премия по физике [1]. В 1905 г. квантовая теория теплового излучения М. Планка была существенно дополнена и развита другим выдающимся немецким физиком-теоретиком Альбертом Эйнштейном (1879- 1955 гг.), распространившим ее на световое излучение и введшим для солнечного света понятие потока «квантов электромагнитного излучения» или «фото- нов» − своеобразных квазичастиц без массы покоя [1, 2]. Так в физику было введено понятие дуализма (двойственности) для света, являвшегося одновре- менно потоком квазичастиц (фотонов) и набором электромагнитных волн различной длины. Световое излучение, имеющее квантово-волновую природу, носит стохастический характер. В этой связи состоя- ние светового поля определяется лишь статистически [3]. Световые кванты характеризуются разными дли- нами волн, движущихся не в фазе. Микроструктура светового поля определяется огромным числом пара- метров, точное описание которых дать невозможно. Поэтому ранее можно было исследовать лишь неко- торые частные характеристики светового поля (на- пример, его спектр и среднюю интенсивность [3]). 1. Квантовая оптика и сверхточная лазерная спектроскопия. Нобелевская премия по физике за 2005 г. была присуждена выдающимся ученым, рабо- тающим в области современной оптики и лазерной техники [3]: американскому физику-теоретику Рою Глауберу (рис. 1) − «за вклад в квантовую теорию оптической когерентности», американскому физику- экспериментатору Джону Холлу (рис. 2) и немецкому физику-экспериментатору Теодору Хеншу (рис. 3) − «за развитие прецизионной лазерной спектроскопии, в частности, за методы комбинационной лазерной спектроскопии в оптическом диапазоне». В 1963 г. Р. Глаубер обнародовал в печати разработанный им ме- тод квантования электромагнитного поля для расчета структуры светового поля с когерентными волнами. Следует напомнить, что термин «когерентность» происходит от латинского слова «cohaerentia» − «сце- пление» и физически обозначает «согласованное про- текание во времени нескольких колебательных или волновых процессов, разность фаз которых постоян- на» [4]. Волны светового излучения этим требованиям удовлетворяют. Вот поэтому оно считается когерент- ным. Именно когерентность волн светового излуче- ния определяет явление их «интерференции» − «уси- ление волн в одних точках пространства и их ослаб- ление в других в зависимости от разности фаз волн» [4]. Для описания сложной картины светового поля и определения пространственно-временного распреде- ления его интенсивности им были введены так назы- ваемые «корреляционные функции», составляющие основу созданного Р. Глаубером нового раздела опти- ки − «квантовой оптики» [3]. Методы разработанной им квантовой оптики позволяют исследовать тонкие 4 ISSN 2074-272X. Електротехніка і Електромеханіка. 2017. №3 детали межмолекулярных взаимодействий в различ- ных физических телах по изменению показаний не- скольких фотоприемников, регистрирующих поток световых фотонов и флуктуации светового поля (от- клонения его интенсивности от некоторой средней величины) при рассеянии света в исследуемой среде. Рис. 1. Выдающийся американский физик-теоретик Рой Глаубер (Roy J. Glauber, 1925 года рождения), лауреат Нобелевской премии по физике за 2005 г. В настоящее время такой физический прибор из области квантовой электроники как лазер [5] стал не- заменимым инструментом при точных измерениях. Этому способствуют, как известно, высокая стабиль- ность лазерного излучения и его монохроматичность. Рис. 2. Выдающийся американский физик-экспериментатор Джон Холл (John L. Hall, 1934 года рождения), лауреат Нобелевской премии по физике за 2005 г. Любой обычный лазер работает в очень узкой частотной полосе электромагнитного излучения и характеризуется всегда определенной одной частотой. Дж. Холл и Т. Хенш в своих научных исследованиях показали, что для достижения сверхвысокой точности измерений нужен лазер, излучающий огромное число световых волн с когерентными частотами (модами) [3]. При их сложении образуется световой импульс, длительность которого тем меньше, чем больше час- тот участвует в его образовании. По их оценкам для получения, например, светового импульса длительно- стью 5 фемтосекунд (5·10-15 с), нужно сложить милли- он частот, перекрывающих бóльшую часть диапазона видимого света [3]. Их частотный спектр образуют своего рода «гребенку» с «зубьями», соответствую- щими отдельным частотам. В результате такой супер- позиции электромагнитных волн между зеркалами лазерного резонатора [5] будут возникать короткие световые импульсы. Выходящий наружу лазера через полупрозрачное зеркало его резонатора свет будет образовывать при этом своего рода «линейку» с деле- ниями в виде сверхкоротких световых импульсов [3]. Подобный режим работы одного из лазеров был по- лучен Т. Хеншем еще в 1970-х годах. Однако, реаль- ный научный прорыв в повышении точности измере- ний произошел в 1999 г., когда лазеры со сверхузкими импульсами потребовались для измерения оптических частот атомных часов, работающих на атомах цезия. Рис. 3. Выдающийся немецкий физик-экспериментатор Теодор Хенш (Theodor W. Hansch, 1941 года рождения), лауреат Нобелевской премии по физике за 2005 г. В случае, когда измеряемая частота излучения микрообъекта (например, атома) совпадает с одним из частотных «зубьев» для рассматриваемой «спек- тральной гребенки» от указанного лазера, то она оп- ределяется однозначно. Разработанный данными уче- ными-лауреатами физический подход в области ново- го применения лазерной спектроскопии позволяет с невиданной ранее точностью измерять частоты излу- чений, испускаемых атомами вещества [3]. Так «час- тотная гребенка», формируемая новым типом кван- тового генератора вынужденного излучения оптиче- ского диапазона (лазера), стала эффективным этало- ном в сверхточных измерениях атомных излучений. 2. Открытие чëрнотельной формы спектра и анизотропии космического фонового микроволно- вого излучения. В 2006 г. одним из наиболее замет- ных научных событий в мировой физике стало при- суждение Нобелевской премии двум американским радиофизикам Джорджу Ф. Смуту (рис. 4) и Джону К. Мазеру (рис. 5) «за открытие равновесной формы космического фонового микроволнового излучения и его анизотропии» [6]. В радиоастрономии это излуче- ние называется еще как «космическое реликтовое из- лучение» [7]. Реликтовое (этот термин происходит от латинского слова «relictum» − «остаток» [4]) излуче- ISSN 2074-272X. Електротехніка і Електромеханіка. 2017. №3 5 ние является микроволновым электромагнитным из- лучением, сохранившемся в космосе от ранних стадий развития Вселенной. Отметим, что «космическое ре- ликтовое излучение» с длиной волны около 7 см и температурой примерно 3 К было открыто в 1965 г. американскими физиками-экспериментаторами Ар- ном Пензиасом и Робертом Вильсоном (Нобелевская премия по физике за 1978 г. [1]). Тогда А. Пензиас и Р. Вильсон наблюдали это коротковолновое электро- магнитное фоновое излучение, распространяющееся в космическом пространстве бескрайней Вселенной, как неустранимый для названных исследователей космоса «электромагнитный шум» в радиотелескопах, установленных на поверхности нашей планеты [1, 7]. Рис. 4. Выдающийся американский радиофизик Джордж Фицджеральд Смут (George Fitzgerald Smoot, 1945 г. рождения), лауреат Нобелевской премии по физике за 2006 г. Их открытие подтверждало «горячую» модель Вселенной [1, 7]. Как известно, эру квантовой физики для землян открыл выдающийся немецкий физик- теоретик Макс Планк (1858-1947 гг.), сформулиро- вавший в 1900 г. свой знаменитый квантовый закон равновесного теплового излучения для искусственно или естественно нагретого «абсолютно чëрного тела» (АЧТ) [2, 8]. Напомним читателю, что квантовая тео- рия М. Планка, разработанная им для теплового излу- чения АЧТ, базирующаяся на принципиально новом в физике понятии «кванта действия» и явившаяся в на- учном мире, по сути, революционным событием, бы- ла удостоена Нобелевской премии по физике за 1918 г. [1]. В квантовой теории М. Планка АЧТ (вещество) и тепловое (электромагнитное) излучение от него на- ходятся в равновесном состоянии [8]. В астрофизике считается, что на ранних стадиях развития Вселенной ее вещество и излучение от него находились также в равновесии [7]. Такое предположение позволяет оп- ределить возможный спектральный состав реликтово- го электромагнитного излучения, который по форме должен соответствовать спектру излучения от АЧТ. Данный спектр теплового излучения для АЧТ (идеа- лизированной расчетной модели) физиками был дос- конально изучен давно. Поэтому согласно указанной гипотезе в фоновом (реликтовом) излучении Вселен- ной количество его электромагнитных квантов с той или иной длиной волны будет зависеть только от тем- пературы вещества Вселенной на ранней стадии ее развития [7]. На более поздней стадии эволюции Все- ленной, по мнению астрофизиков, ее электромагнит- ное излучение при сохранении своего частотного спектра «отрывается» от ее материи и адиабатически остывает, равномерно пронизывая всю Вселенную [7]. Рис. 5. Выдающийся американский радиофизик Джон Кромвелл Мазер (John Cromwell Mather, 1946 г. рождения), лауреат Нобелевской премии по физике за 2006 г. Для большей ясности требуется указать то, что это космическое электромагнитное излучение сосре- доточено в основном в микроволновом диапазоне (в частотном диапазоне, характерном для современных бытовых микроволновых печей) [7]. Первые измере- ния реликтового излучения Вселенной проводились радиофизиками на высокогорных радиофизических станциях. С помощью таких измерений была исследо- вана длинноволновая часть спектра реликтового из- лучения. Результаты этих исследований позволили оценить температуру TR данного фонового излучения, составившую около 2,7 К [7]. Проведение более точ- ных и масштабных измерений реликтового излучения Вселенной потребовало использования сложной ап- паратуры, размещенной за пределами атмосферы Зем- ли. В 1989 г. американское аэрокосмическое агентст- во НАСА с этой целью создало и запустило в откры- тый космос спутник «СОBE» (COsmic Background Explorer), внешний вид которого приведен на рис. 6. Рис. 6. Внешний вид американского спутника «CОBE», всесторонне исследовавшего в 1990 х годах реликтовое (фоновое) излучение нашей Вселенной [7] 6 ISSN 2074-272X. Електротехніка і Електромеханіка. 2017. №3 На спутнике «СОBE» был установлен спектро- метр микроволнового реликтового излучения с высо- кой разрешающей способностью, позволяющий оце- нивать и степень изотропности данного излучения [7]. Уже первые измерения с помощью аппаратуры спут- ника «СОBE» космического реликтового излучения показали, что оно полностью соответствует спектру равновесного излучения АЧТ («чëрнотельному» спек- тру электромагнитного излучения). В ходе многочис- ленных измерений на указанном спутнике было уста- новлено, что температура TR реликтового излучения Вселенной составляет (2,725±0,002) К [7]. Кроме того, программа подобных радиофизических исследований с применением спутника «СОBE» содержала изуче- ние анизотропии данного излучения − обнаружение малых отклонений интенсивности и соответственно температуры космического реликтового излучения в различных направлениях Вселенной. Отметим, что возможное отклонения этого излучения от средней температуры в разных частях Вселенной могут свиде- тельствовать о местах возникновения в ней галактик и звезд, а также указывать на области концентрации вещества во Вселенной. В этой части особенно инте- ресны результаты подобных исследований примени- тельно к «темной» материи или «чëрным дырам» Все- ленной [9], способным существенно менять темпера- туру фонового излучения. Как известно, такую мате- рию нельзя непосредственно увидеть, но можно обна- ружить по ее суперсильному влиянию на физические процессы, протекающие в космическом пространстве [7]. В астрофизике было установлено, что во Вселен- ной благодаря гравитации идет непрерывный процесс образования сгустков материи − прототипов будущих планет, звезд и галактик. В областях сгущения мате- рии локально поднимается температура [7]. Спектро- метр спутника «СОBE» позволял осуществлять изме- рение температурных флуктуаций ΔTR фонового из- лучения на уровне 10-5·TR в трех частотных диапазо- нах, отвечающих максимуму интенсивности реликто- вого излучения [7]. При этом его угловое разрешение составляло около 7 угловых градусов для космическо- го пространства. Результаты измерений, продолжав- шихся на спутнике «СОBE» в течение четырех лет, показали вклад галактики «Млечный путь», в состав которой входит и наша Солнечная система, в диполь- ную составляющую космического реликтового излу- чения на уровне ΔTR/TR=10-3 [7]. Эксперименты на «СОBE» подтвердили гауссовский характер распре- деления при больших углах разрешения температур- ных флуктуаций ΔTR в фоновом излучении Вселен- ной. Они позволили дать строгое обоснование кос- мологической модели «Большого взрыва», произо- шедшего около 12 миллиардов лет тому назад во Вселенной. 3. Открытие эффекта гигантского магнетосо- противления. Около 150 лет тому назад эксперимен- тально было установлено, что при размещении про- водника с электрическим током во внешнем магнит- ном поле его активное сопротивление Re слегка изме- няется [10]. Такое явление назвали магниторезистив- ным эффектом − «магнетосопротивлением» Rem про- водника [4, 8]. Природа установленной зависимости для Re от уровня напряженности Hm внешнего маг- нитного поля тогда была неизвестной. За более чем полуторовековую историю эволюции мировой элек- тротехники этому явлению для цепей, выполненных из традиционных проводниковых материалов (меди, алюминия, железа и др.), серьезного внимания никто не уделял. Ведь изменения сопротивления Re провод- ников для них в зависимости от уровня напряженно- сти Hm магнитного поля не превышали единиц про- центов [10]. Лишь после того, как в ведущих научных лабораториях мира материаловеды научились искус- ственно создавать специальные слоистые материалы с новыми физическими свойствами эту зависимость Re от Hm стали изучать более пристально. Во второй по- ловине 20-го века талантливые физики − француз Альбер Фер (рис. 7) и немец Петер Грюнберг (рис. 8) экспериментально зафиксировали появление «гигант- ского магнетосопротивления» Rem в новых слоистых материалах [10]. Открытие этими физиками явления «гигантского магнетосопротивления» и было отмече- но Нобелевской премией по физике за 2007 г. [6, 10]. Рис. 7. Выдающийся французский физик Альбер Фер (Albert Fert, 1946 г. рождения), лауреат Нобелевской премии по физике за 2007 г. «Корни» рассматриваемого нового физического явления глубоко «входят» в квантовую природу элек- трического тока в проводящем материале, согласно которой этот ток определяют дрейфующие свободные электроны, имеющие в нем энергию, близкую к их максимальной энергии − энергии Ферми WF [10, 11]. Рис. 8. Выдающийся немецкий физик Петер Грюнберг (Peter Grünberg, 1939 г. рождения), лауреат Нобелевской премии по физике за 2007 г. ISSN 2074-272X. Електротехніка і Електромеханіка. 2017. №3 7 Электрический ток в металлическом проводнике сильноточной цепи при комнатной температуре (око- ло T0=293 К [8]) окружающей его воздушной среды является суперпозицией быстрого (с усредненной те- пловой скоростью veT порядка 105 м/с [11, 12]) беспо- рядочного движения в межатомном или межионном пространстве свободных электронов (элементарных частиц-фермионов [8]) и медленного (с усредненной скоростью veD порядка 10-2 м/с [11, 12]) направленно- го смещения (дрейфа) «электронного газа» во внут- ренней кристаллической структуре проводника. Из- вестно, что электроны как квантовые объекты обла- дают волновыми свойствами. Для электрона, движу- щегося со скоростью ve, длина электронной волны λe определяется фундаментальным квантовомеханиче- ским соотношением, введенным выдающимся фран- цузским физиком-теоретиком Луи де Бройлем (1892- 1987 гг.), вида [8]: λe=h/(meve), где h=6,626·10-34 Дж·с − постоянная Планка; me=9,109·10-31 кг − масса покоя электрона. Тогда, при veT=105 м/с получаем, что для хаотичного движения носителей элементарного элек- трического заряда «электронного газа» проводника, имеющего плотность ne порядка 1029 м-3 [11], при ука- занной температуре ему будет соответствовать усред- ненная длина электронной волны λeT≈7,3·10-9 м. Со- гласно [8] рассматриваемый ферми-газ проводника считается «вырожденным», когда выполняется нера- венство вида neλe 3>>1. Подставив в это неравенство приведенные численные значения для ne=1029 м-3 и λeT≈7,3·10-9 м, убеждаемся в том, что беспорядочно перемещающиеся свободные электроны нашего про- водника будут представлять собой чисто «вырожден- ный» ферми-газ. В случае дрейфа (направленного перемещения) «электронного газа» проводника (ne=1029 м-3) искомые для него параметры будут иметь следующие численные значения: veD=10-2 м/с; λeD≈7,3·10-2 м. После подстановки значений этих па- раметров в приведенное выше неравенство приходим к выводу, что дрейфующее «электронное облако» проводника по сравнению с его беспорядочно пере- мещающимися свободными электронами еще в боль- шей степени будет удовлетворять требованиям «вы- рожденности» ферми-газа. А раз так, то квантовые свойства дрейфующего «электронного облака» рас- сматриваемого проводника будут существенны и их необходимо будет обязательно учитывать при изуче- нии электрофизических процессов в нем. Активное сопротивление Re проводника опреде- ляется рассеянием дрейфующих свободных электро- нов (электронных волн де Бройля [11]) на неоднород- ностях материала проводника (например, на дефектах его кристаллической решетки, примесных атомах или на квазичастицах фононах − квантах упругих тепло- вых колебаний атомов этой решетки) [8]. Электроны, кроме всего прочего, имеют и такую важную кванто- вофизическую характеристику как «спин» Se (этот термин происходит от английского слова «spin» − «вращаться» и в атомной физике он обозначает соб- ственный механический момент количества движения элементарной частицы или атомного ядра [4]). Коли- чественно спин Se электрона выражается в специаль- ных единицах по отношению к постоянной величине h/(2π) [8, 11]. Поэтому спин электрона будет численно равен 2πSe/h=1/2 [8]. Именно данное значение спина Se и определяет для электрона, способного вращаться вокруг своей оси в двух направлениях (например, по направлению вектора напряженности Hm воздейст- вующего магнитного поля или против него), его спи- новое квантовое число в виде mS=±1/2 [8]. Отличи- тельной особенностью спина Se электрона является то, что он не только заставляет электрон откликаться на воздействие внешнего магнитного поля, но и сам по- добное поле порождает. Для обычных проводников (особенно немагнитных − медных или алюминиевых) спин Se электрона не оказывает серьезного влияния на протекание в нем тока проводимости. Поэтому о дан- ной характеристике основных носителей отрицатель- ного заряда в металлических проводниках в традици- онной электротехнике практически никто и не вспо- минает. А вот для новых слоистых материалов, в ко- торых и было открыто явление «гигантского магнето- сопротивления», оказалось, что именно спин Se элек- трона играет ключевую роль [10]. В чем же эта роль рассматриваемой квантовофизической характеристи- ки заключается? Для более аргументированного отве- та на данный простой по форме, но сложный по со- держанию вопрос предварительно рассмотрим пове- дение свободных электронов внутри ферромагнитно- го материала плоского проводника (токопроводящей шины) прямоугольной конфигурации с продольным током. Пусть магнитная индукция его предварительно намагниченного материала также направлена вдоль продольной оси такого проводника. Внутреннее маг- нитное поле проводника при этом будет по разному влиять на его продольно дрейфующие свободные электроны, спины Se которых отличаются своей ори- ентацией относительно указанного направления век- тора напряженности Hm этого поля (по полю или про- тив поля). Электрический ток рассматриваемого про- водника в этом случае будет состоять из двух тща- тельно перемешенных потоков электронов, один из которых имеет электронные спины Se с ориентацией по направлению намагниченности его материала, а другой − с их ориентацией против выбранного нами направления внутреннего магнитного поля проводни- ка [10]. Электроны этих двух потоков будут испыты- вать со стороны кристаллической структуры металла проводника в этом случае разное сопротивление. Ока- зывается, что электроны со спинами Se, ориентиро- ванными против магнитного поля, будут направлен- но двигаться вдоль проводника свободнее (без за- держки), а электроны с их ориентированными по маг- нитному полю спинами Se − труднее (с задержкой) [10]. В первом случае (для сорта электронов со спи- нами Se против поля) сопротивление Re проводника будет сравнительно малым, а во втором случае (для сорта электронов со спинами Se по полю) − большим. Заметим, что подобные особенности в протекании тока проводимости для нас пока будут характерны только для ферромагнитного материала (в диамагнитных ма- териалах − меди и других металлах таких особенностей при T0=293 К не наблюдается) [10]. Подобные особен- ности дрейфа свободных электронов в проводниках были установлены сравнительно недавно − в 1968 г. 8 ISSN 2074-272X. Електротехніка і Електромеханіка. 2017. №3 группой французских ученых-физиков, в состав кото- рой входил и будущий лауреат Нобелевской премии по физике за 2007 г. А. Фер [10]. Именно тогда перед исследователями и встал вопрос о возможности прак- тического использования выявленных особенностей дрейфа электронов для резкого изменения значений активного сопротивления Re проводящих структур. Вот теперь на основе данных [10] можно вкратце и ответить на ранее поставленный нами вопрос насчет роли спина Se электрона. Ответ может сводиться к тому, что от ориентации спинов Se электронов для ряда проводников относительно направления вектора напряженности Hm внутреннего (внешнего) магнитно- го поля существенно зависит концентрация свобод- ных электронов с рассматриваемыми спинами Se (по полю или против поля) вблизи уровня энергии Ферми WF , характерной для зон проводимости и опреде- ляющей дрейфовый ток проводника [10]. Если в ма- териале проводника свободных электронов с энергией Ферми WF будет много, то в нем возможно протека- ние сравнительно большого тока проводимости с ма- лым электрическим сопротивлением Re ему (току). Если в материале проводника свободных электронов с энергией Ферми WF будет мало, то в нем возможно протекание сравнительно слабого тока проводимости с большим сопротивлением Re току [10]. Создав 1980-х годах искусственным путем новые сверхтонкие слоистые проводящие материалы (сверх- решëтки (рис. 9), в которых строго чередующиеся между собой магнитные и немагнитные слои из двух видов металлов имеют толщину в несколько атомов [10]), физики научились управлять не только величи- ной намагниченности их слоев, но и характером их магнитной упорядоченности. А далее через характер магнитной упорядоченности слоев − электрическим сопротивлением Re подобной проводящей «слойки». Рис. 9. Схематический вид современной сверхрешëтки − строго чередующихся между собой слоев атомарной тол- щиной из двух материалов (например, из 4-х слоев магнит- ного железа Fe и 3-х слоев немагнитного хрома Cr) с близ- кими (похожими) кристаллическими структурами [10] В 1986 г. научная группа П. Грюнберга в «слойке», изготовленной из сверхтонких слоев маг- нитного железа Fe и немагнитного хрома Cr (рис. 10), обнаружила эффект чередования ориентаций намагниченности таких слоев железа Fe в отсутст- вии воздействия напряженности Hm внешнего маг- нитного поля [10, 13]. Hm = 0. Рис. 10. Схематическое изображение порядка чередования намагниченности сверхтонких слоев железа Fe в «слойке» из магнитного железа Fe и немагнитного хрома Cr при от- сутствии внешнего постоянного магнитного поля [10] В случае действия внешнего сильного постоян- ного магнитного поля с напряженностью Hm на при- веденную выше на рис. 10 «слойку» − сверхрешëтку Fe-Cr намагниченность слоев железа Fe приобретала за счет перемагничивания полем этих слоев одинако- вую пространственную ориентацию (рис. 11) [10, 13]. H = Hm. Рис. 11. Схематическое изображение намагниченности сверхтонких слоев железа Fe в «слойке» из магнитного же- леза Fe и немагнитного хрома Cr при воздействии на нее внешнего сильного постоянного магнитного поля [10] Интересно отметить, что при прекращении дей- ствия внешнего сильного магнитного поля с напря- женностью Hm на рассматриваемую сверхрешëтку Fe-Cr намагниченность ее атомарных слоев Fe воз- вращалась в исходное состояние, приведенное на рис. 10. Таким образом, благодаря сверхрешëткам у физи- ков-экспериментаторов появилась реальная возмож- ность быстрого изменения характера магнитной упо- рядоченности их сверхтонких слоев [10, 14]. И, нако- нец, у них появился реальный способ управляемого ISSN 2074-272X. Електротехніка і Електромеханіка. 2017. №3 9 изменения в заметных пределах электрического со- противления Re проводящей «слойки». А. Фер и П. Грюнберг со своими сотрудниками в течение 1988- 1989 гг., изучая прохождение постоянного электриче- ского тока поперек слоев «слойки» из железа Fe и хрома Cr в режимах отсутствия и воздействия на них внешнего сильного постоянного магнитного поля, и открыли эффект «гигантского магнетосопротивления» [13, 14]. В первых опытах А. Фера, в которых опыт- ный образец указанной «слойки» Fe-Cr помещался в криостат с температурой около 4,2 К, уменьшение величины его активного сопротивления Rem для слу- чаев Hm=0 и H=Hm из диапазона сильных постоянных магнитных полей (Hm больше 10 кЭ [12]) составило примерно в два раза [10, 14]. Первоначально в анало- гичных экспериментах П. Грюнберга, проводимых с указанной «слойкой» только при комнатной темпера- туре T0=293 К, изменения Rem составляли лишь 1,5 % [10, 13]. П. Грюнбергу потребовалось несколько лет тщательных научных исследований для доведения при комнатной температуре T0=293 К своих результа- тов до уровня уменьшения значений Rem в два раза [10, 15]. Анализ полученных опытных результатов по такому изменению значений активного сопротивле- ния Rem «слойки» из Fe-Cr показал, что они обуслов- лены влиянием рассмотренной нами выше ориента- ции спинов Se свободных электронов (по полю или против поля) в сверхтонких слоях магнитного железа Fe на концентрацию соответствующих двух сортов дрейфующих электронов (с магнитным квантовым числом mS=+1/2 или mS=−1/2) вблизи уровня энергии Ферми WF [13-15]. Практическое использование эффекта «гигант- ского магнетосопротивления» в компьютерных тех- нологиях сразу же привело к резкому увеличению плотности записи магнитной информации на жестких дисках. «Слойка» с Fe-Cr и таким активным сопро- тивлением Rem оказалась компактным, быстрым, чув- ствительным и простым по конструкции датчиком магнитного поля [10]. Будучи расположенной сверху над быстро вращающейся пластиной жесткого диска компьютера, такая «слойка» отслеживала магнитные поля пролетающих под ней потоков битов информа- ции в двоичной системе счисления (термин «бит» или «bit» происходит от английских слов «binary» − «двоичный» и «degit» − «цифра» [4]) и сразу же пере- водила их в соответствующие импульсы электриче- ского тока. 4. Открытие механизма спонтанного наруше- ния симметрии в субатомной физике. Лауреатами Нобелевской премии 2008 г. по физике стали ученые из Японии (Макото Кобаяси, рис. 12; Тосихидэ Мас- кава, рис. 13) и США (Йоитиро Намбу, рис. 14) за открытия в области физики элементарных частиц, которые объясняли причины того, что наблюдаемая нами Вселенная состоит из материи, а не из антима- терии и материи поровну, а также механизм появле- ния у материи массы [16]. Исследования указанных физиков-теоретиков касаются нарушения симметрии в мире элементарных частиц. Их работы относятся к разным временным периодам, а рассматриваемые ими симметрии − к различным взаимодействиям элемен- тарных частиц [16]. В 1973 г. М. Кобаяси и Т. Маска- ва в своей совместной статье предположили, что при- чина, приведшая к преобладанию вещества над анти- веществом во Вселенной, может заключаться в том, что они по-разному участвуют в слабых взаимодейст- виях (так называемое нарушение CP − симметрии) [16-18]. Рис. 12. Выдающийся японский физик-теоретик Макото Кобаяси (Makoto Kobayashi, 1944 г. рождения), лауреат Нобелевской премии по физике за 2008 г. Первые экспериментальные наблюдения в мире асимметрии Кобаяси - Маскава были сделаны физи- ками лишь в 2002 г. с помощью ускорителей KEKB (Япония) и Stanford Linear Accelerator (США) [16, 19]. Рис. 13. Выдающийся японский физик-теоретик Тосихидэ Маскава (Toshihide Maskawa, 1940 г. рождения), лауреат Нобелевской премии по физике за 2008 г. Гипотеза, высказанная в указанной выше много- кратно цитируемой в научном мире статье М. Кобая- си и Т. Маскава «CP Violation in the Renormalizable Theory of Weak Interaction» (1973 г.) [16], постулиро- вала существование третьего поколения «кварков», которое было непрямым экспериментальным путем подтверждено уже через четыре года (в 1977 г.) с от- крытием b-кварка [19]. Следует напомнить, что квар- ком в физике элементарных частиц и физике высоких энергий называют гипотетическую частицу с дробной относительно модуля элементарного электрического 10 ISSN 2074-272X. Електротехніка і Електромеханіка. 2017. №3 заряда электрона e0=1,602·10-19 Кл величиной заряда [8, 11]. В этой связи М. Кобаяси и Т. Маскава в 2008 г. были удостоены Нобелевской премии по физике «за открытие источника нарушения симметрии, кото- рое позволило предсказать существование в природе по меньшей мере трёх поколений кварков» [16-19]. До работ указанных физиков-теоретиков адрон- ная физика представляла собой настоящую бессис- темную «мешанину» [16]. К 1960 г. в экспериментах на протонных синхротронах физиками-ядерщиками уже были открыты несколько десятков разнообразных сильно взаимодействующих друг с другом частиц- адронов [8]. Эти частицы-адроны были с самыми раз- нообразными массами, зарядами, временами жизни и «каналами» распада [16]. Физикам в то время не были понятны ни «предназначение» этих частиц, ни их взаимосвязь друг с другом. На тот момент не было даже разумной схемы классификации этих адронов. Поиск осмысленной систематики адронов привел ученых к идее кварков [16]. В предложенной Й. Нам- бу совместно с итальянским физиком Г. Йона- Лазиньо модели взаимодействия адронов физики уви- дели спонтанное нарушение «киральной» симметрии. Благодаря этому нарушению с частицами в разрабо- танной модели происходили метаморфозы: появля- лись мезоны (как связанные состояния частиц- фермионов, являвшиеся аналогом «куперовских пар» электронов в сверхпроводниках [5]), а сами частицы- фермионы становились гораздо тяжелее и их можно было отождествлять с протонами и нейтронами [16]. Это привело к переосмыслению физической сути адронов [8]. Основные исследования Й. Намбу, эмигриро- вавшего в 1952 г. из Японии в США, были посвящены развитию высказанной им в 1960 г. идее спонтанного нарушения симметрии в субатомной физике [20]. В 1965 г. ему совместно с М. Ханом удалось создать схему сильных взаимодействий частиц-адронов, ос- нованную на трёх триплетах кварков с целочислен- ными зарядами (известная модель Хана-Намбу [20]). Рис. 14. Выдающийся японско-американский физик- теоретик Йоитиро Намбу (Yoichiro Nambu, 1921 г. рожде- ния), лауреат Нобелевской премии по физике за 2008 г. Й. Намбу на основе этой модели ввел «цветовое» взаимодействие элементарных частиц [16, 20]. Данной теоретической разработкой он заложил осно- вы квантовой хромодинамики. Он существенно раз- вил кварковую модель строения адронов [19]. Идея спонтанного нарушения симметрий в мире элемен- тарных частиц активно разрабатывалась физиками- теоретиками и впоследствии из нее вырос и хиггсов- ский механизм нарушения электрослабой симметрии. Именно «за открытие механизма спонтанного нару- шения симметрии в физике элементарных частиц» он стал лауреатом Нобелевской премии по физике за 2008 г. [16]. 5. Разработка новой технологии передачи све- та в оптических волокнах. В 2009 г. первая полови- на Нобелевской премии по физике была присуждена китайцу Чарльзу Као (рис. 15) «за революционные достижения, касающиеся передачи света в волокнах для нужд оптической связи» [21]. Так исторически произошло, что Ч. Као в области информационных технологий оказался у истоков оптоволоконной пере- дачи данных. Из-за бурного развития в мире телеком- муникаций оказалось, что традиционные технологии передачи информации на большие расстояния (с по- мощью связанных электромагнитных волн в металли- ческих проводах и свободных радиоволн) обладают принципиальным недостатком − сравнительно малой скоростью процессов, протекающих в каналах пере- дачи. При этом для увеличения в них (каналах) скоро- сти передачи информации путем увеличения частоты модуляции требуется увеличение и несущей частоты электромагнитного сигнала. Именно поэтому физики свой взор обратили к световым импульсам (сигналам), частота которых составляет порядка 1015 Гц [8, 11]. Рис. 15. Выдающийся китайский физик-экспериментатор Чарльз Као (Charles K. Kao, 1933 г. рождения), лауреат Нобелевской премии по физике за 2009 г. На первый взгляд, оптическое волокно с тонкими стеклянными нитями, помещенными в защитную обо- лочку, должно было удовлетворять жестким требова- ниям по передаче световых импульсов на большие расстояния. Однако, экспериментальные данные сви- детельствовали о том, что в первой половине 20-го столетия в самых чистых стеклянных волокнах зату- хание светового сигнала составляло около 1000 дБ/км [21]. Физиками было установлено, что для эффектив- ного применения оптоволокна в качестве коммуника- ISSN 2074-272X. Електротехніка і Електромеханіка. 2017. №3 11 ционного носителя информации коэффициент затуха- ния в нем светового импульса должен составлять 20 дБ/км и менее [21]. В 1960-е годы Ч. Као после окон- чания Гринвичского университета (Англия) по специ- альности инженера-электротехника и последующей защиты в нем докторской диссертации приступил в научно-исследовательском центре компании Standard Telephones and Cables (г. Харлоу) к работам в области волоконных технологий [22]. Здесь он и совершил свое новаторское физико-техническое открытие, объ- ясняющее сильное затухание световых импульсов в обычном стекловолокне. Он в 1966 г. установил, что причиной тому являются примеси, присутствующие в стекловолокне. В этой связи Ч. Као для эффективного использования стекловолокна при передаче на рас- стояние информации предложил выполнять его из тонких кварцевых нитей (рис. 16) [22]. Именно в кварцевых стеклонитях наблюдался наименьший уро- вень затухания передаваемого светового импульса. Рис. 16. Внешний вид фрагмента пучка оптических волокон с кварцевыми нитями в защитной оболочке, эффективно передающих на дальние расстояния световые импульсы [22] Ч. Као первым в мире предложил использовать волоконно-оптические кабели для передачи телеком- муникационной информации на большие расстояния. Технические трудности по получению для этих целей высокочистого кварцевого стекла были преодолены лишь в 1972 г., когда в США исследователями из ком- пании Corning Glass Works (Р. Маурер, Д. Кек и П. Шульц) с помощью технологии его химического оса- ждения из газовой фазы были получены стекловолок- на с коэффициентом затухания до 4 дБ/км [21, 22]. На рис. 17 приведена зависимость коэффициента затухания светового сигнала в кварцевом оптоволокне от длины распространяющихся вдоль него волн [21]. Рис. 17. Затухание светового импульса в кварцевых нитях в зависимости от длины его электромагнитных волн [21] Из рис. 17 видно, что потери интенсивности све- та меньше всего не в оптической, а в инфракрасной (ИК) области спектра светового сигнала [21]. Вот по- этому минимальное поглощение (рассеяние) энергии света в кварцевом оптоволокне приходится на от- дельные «окна прозрачности» (при длинах его волн в 1,3 мкм и 1,45 мкм) в ближнем ИК-диапазоне свето- вого импульса. Именно на этих длинах (частотах) электромагнитных волн и работает современная опто- волоконная связь [21]. Отметим, что согласно данным рис. 17 с уменьшением длины световой волны коэф- фициент затухания резко возрастает из-за рассеяния света на неоднородностях показателя преломления рассматриваемой среды (случай «рэлеевского рассея- ния» [8]). В области же длин световых волн более 1,45 мкм в кварцевых нитях начинают проявляться силь- ные линии поглощения гидроксильной группы OH [21]. Как известно, из-за рэлеевского рассеяния волн света в атмосфере небо на Земле выглядит сине- голубоватым, а закат или восход Солнца оранжево- красноватым [8, 23]. В 1988 г. был проложен первый трансатлантический оптоволоконный кабель связи [21]. В настоящее время технологии производства таких кабелей постоянно совершенствуются. Сейчас в опытных образцах последних разработок оптоволо- конных кабелей коэффициент затухания светового импульса характеризуется уровнем до 0,2 дБ/км [21]. 6. Изобретение полупроводниковой схемы для регистрации изображений. В 2009 г. вторая полови- на Нобелевской премии по физике была присуждена американцам Уилларду Бойлу (рис. 18) и Джорджу Смиту (рис. 19) «за изобретение полупроводниковой схемы для регистрации изображений» [21]. У. Бойл и Дж. Смит изобрели полупроводниковое устройство, позволяющее без фотоплёнки получать цифровые фотографии. Такое полупроводниковое устройство- сенсор, позволяющее делать фотографии в цифровом формате, получило название «прибора с зарядовой связью» («Charged-Сoupled Device») или ССD- матрицы [21]. В ССD-матрице, входящей в состав современного фотоаппарата или цифровой видеока- меры, световой поток сразу переводится в цифровой файл с цветным изображением снимаемого объекта. 12 ISSN 2074-272X. Електротехніка і Електромеханіка. 2017. №3 Рис. 18. Выдающийся американский физик-экспериментатор Уиллард Бойл (Willard Boyle, 1924-2011 гг.), лауреат Нобелевской премии по физике за 2009 г. Рис. 19. Выдающийся американский физик-эксперимента- тор Джордж Элвуд Смит (George Elwood Smith, 1930 г. ро- ждения), лауреат Нобелевской премии по физике за 2009 г. Прежде чем рассматривать работу ССD-матрицы в целом в указанной полупроводниковой сенсорной схеме регистрации цветного изображения нам необ- ходимо начать с ее одной из главных составных час- тей − полупроводниковой ячейки цифровой памяти, схематически изображенной ниже на рис. 20. В 1969 г. У. Бойл [24] и Дж. Смит [25], как сотрудники зна- менитой американской лаборатории «Bell Labs», при- ступили к разработке нового высокоэффективного полупроводникового устройства для записи и считы- вания информации, в котором информация хранилась бы в виде микроскопических «облачков заряда» [21]. Рис. 20. Схематическое изображение элементарной полу- проводниковой ячейки цифровой памяти, предложенной американскими физиками У. Бойлом и Дж. Смитом [21] В результате исследований ими в 1969 г. и была предложена полупроводниковая ячейка цифровой памяти, состоящая согласно данным рис. 20 из плос- кого металлического электрода, отделенного слоем изолятора (диоксида кремния SiO2) от полупроводни- ка p-типа (кремния Si) [21]. Роль бита информации в таком устройстве играло «облачко» электронов, воз- никающее в полупроводнике при его возбуждении. Напомним, что полупроводник обладает и таким свойством как светочувствительностью [8, 21]. Свето- вые фотоны (кванты электромагнитного поля), попа- дая в полупроводник, порождают в нём пары элек- тронов и дырок. Для того, чтобы подобные электроны не поглощались дырками и хранились в определенной зоне полупроводника У. Бойл и Дж. Смит предложи- ли подавать на металлический электрод данной ячей- ки электрический потенциал положительной поляр- ности. Из-за своего положительного заряда возни- кающие дырки «уходили» прочь из небольшой облас- ти, расположенной под этим положительно заряжен- ным электродом, а появившиеся электроны остава- лись «сидеть» в ней и оказывались как бы в этой ло- кальной «ловушке» [21]. Именно данная «ловушка» и выполняла роль «хранителя» информации в полупро- водниковой ячейке цифровой памяти. Если в этой «ловушке» было небольшое «облачко» электронов, то в ячейке записана «1», если нет − «0» [21]. Далее пе- ред У. Бойлом и Дж. Смитом встал серьезный вопрос по поводу считывания информации с подобных ячеек памяти. Для этой цели они и придумали новый метод передачи данных − «зарядовую связь» [21]. Именно этот метод и был реализован ими в созданной ССD- матрице, приведенной в упрощенном виде на рис. 21. Рис. 21. Схематическое изображение одномерной ССD- матрицы с тремя ячейками цифровой памяти в ряду [21] Подавая определенным образом электрическое напряжение V на металлические электроды отдельных соседних с исходными активными информационными ячейками цифровой памяти (с потенциалом +V и на- личием в их «ловушках» малого «облачка» электро- нов) неинформационных ячеек цифровой памяти (при начальном напряжении V=0 и отсутствии в их «ло- вушках» малого «облачка» электронов) и далее сни- мая электрическое напряжение с активных ячеек, можно было синхронно за конечное число циклов сдвигать в ССD-матрице информацию к считываю- щему устройству (СУ), размещенному у края данной матрицы [21]. СУ будет воспринимать приходящий на него от активной ячейки цифровой памяти электриче- ский заряд и выдавать соответствующий электриче- ский сигнал. В случае, если СУ будет не просто де- тектировать отсутствие или наличие электрического заряда в «ловушке» очередной ячейки памяти, но и измерять накопившийся в ней заряд, то на выходе такой полупроводниковой схемы получается самое ISSN 2074-272X. Електротехніка і Електромеханіка. 2017. №3 13 настоящее оптическое изображение, записанное сразу в цифровом виде. Отметим, что те или иные электро- магнитные волны, входящие в состав воздействующе- го на полупроводник ячеек цифровой памяти светово- го сигнала и определяющие те или иные исходящие от объекта наблюдения цвета света, будут вызывать появление в «ловушках» ячеек памяти отличающихся между собой зарядов «пойманных» ими электронов. Название «прибора с зарядовой связью» (ССD- матрицы) отражает способ считывания в нем электри- ческого заряда методом сдвига от одного элемента матрицы к другому, постепенно заполняя буферный регистр фотокамеры [26]. Далее напряжение с СУ усиливается и подается на аналого-цифровой преоб- разователь, после чего сигнал в цифровой форме по- ступает для последующей обработки в процессор фо- токамеры [26]. Эта матрица, общий вид которой при- веден на рис. 22, по сути, является микросхемой, со- стоящей из миллионов микрофотодатчиков, реаги- рующих на свет. ССD-матрицы совершили научно- техническую революцию в фотографии (они быстро вошли в наш быт в виде компактных цифровых фото- и видеокамер) [26, 27]. Они широко применяются в малодозных цифровых рентгеновских установках и установлены на всех современных телескопах [27]. Рис. 22. Внешний вид современной ССD-матрицы [26] 7. Осуществление новаторских экспериментов по созданию двумерного материала графена. Вы- ходцы из России Андрей Константинович Гейм (рис. 23) и Константин Сергеевич Новосëлов (рис. 24), ра- ботая до своей эмиграции в Институте проблем тех- нологии микроэлектроники и особочистых материа- лов РАН (г. Черноголовка, РФ), в 2004 г. в лаборато- рии Манчестерского университета (Великобритания) открыли принципиально новый материал − «графен» [5, 28]. Графен является уникальным сверхтонким материалом, выполненным на основе углерода 6 12С с толщиной графитового слоя в один атом [5]. Поэтому его из-за такой исчезающе малой нанометрической толщины (порядка 0,1 нм) и называют двумерным нанокристаллическим материалом, относящимся к наноматериалам 2-го рода [5]. Атомы углерода в тон- кой пленке графена соединены в гексагональную двумерную кристаллическую решетку (рис. 25) [28]. Рис. 23. Выдающийся российско-нидерландский физик Андрей К. Гейм (Andre K. Geim, 1948 г. рождения), лауреат Нобелевской премии по физике за 2010 г. Рис. 24. Выдающийся российско-английский физик- экспериментатор Константин С. Новосëлов (Kostya S. Novoselov, 1974 г. рождения), лауреат Нобелевской премии по физике за 2010 г. Рис. 25. Внешний вид фрагмента гексагональной кристал- лической решетки атомарного слоя графена, в узлах которой расположены атомы углерода 6 12С [28] Искусственно получаемый сейчас графен путем химического осаждения паров углерода 6 12С на под- ложку (при его линейных размерах в несколько сан- тиметров и более) показал удивительные физико- химические свойства. Являясь практически прозрач- ным материалом, он обладает неимоверной механиче- ской прочностью (в 100 раз больше, чем у стали) [28]. Графен имеет достаточно высокую электропро- водимость (как у широко применяемой в электротех- нике меди 29 63Cu) и характеризуется высокой тепло- проводностью [28]. В своих первых экспериментах 14 ISSN 2074-272X. Електротехніка і Електромеханіка. 2017. №3 А.К. Гейм и К.С. Новосëлов миниатюрные образцы нового материала получали с помощью прямоуголь- ного куска электротехнического графита и обыкно- венной клейкой ленты − скотча. Приложив к плоской поверхности графита скотч и оторвав его, они на нем под микроскопом и обнаружили пластиночки- монослои углерода [28]. Оказывается как все просто! Изучение физико-химических свойств графена и его поведения при внешних воздействиях на него раз- личных физических факторов (например, механиче- ских нагрузок, электрического тока, электрического поля и др.) предоставило целый ряд возможностей для его технического применения. Оказалось, что практически прозрачный графен-проводник хорошо подходит для производства прозрачных сенсорных экранов, световых панелей, солнечных батарей и электрохимических источников тока, а также для из- готовления высокочастотных транзисторов примени- тельно к мобильным телефонам и сверхбыстрым оп- тическим датчикам в оптоволоконной связи [28]. Соз- дание графена может в ближайшее время привести к появлению нового класса наноэлектроники с рекорд- но малой толщиной транзисторов − до 10 нм. Исполь- зование графена в компьютерных технологиях может привести к увеличению быстродействия компьютеров в тысячи раз. Он практически не задерживает «проле- тающие» через него свободные электроны. Поэтому он обладает очень низким активным сопротивлением электрическому току [28]. Мало того, эксперимен- тальные данные А.К. Гейма и К.С. Новосëлова, а так- же исследования в РФ показали, что графен или су- пертонкая графитовая пленка способны изменять свое электрическое сопротивление (точнее сказать, увели- чивать электропроводимость) при воздействии на них внешнего электрического (электромагнитного) поля [29]. Эти результаты, по мнению ученых-физиков, указывают на перспективные возможности примене- ния подобных материалов в полупроводниковой или точнее графитовой электронике. Кроме того, было установлено, что при растяжении графена (его можно растягивать до 20 % увеличения первоначального ли- нейного размера) он может превращаться в хороший полупроводник [28]. Происходит это за счет образо- вания таким путем соответствующего «полупровод- никового» разрыва в энергетическом спектре его атомной структуры (по сути, за счет увеличения энер- гетического зазора между его валентной зоной и зо- ной проводимости) [11]. Такое новое свойство графе- на при его высокой теплопроводности открывает оп- ределенные перспективы для применения этого ново- го материала в преобразовательной наноэлектронике. Интересны попытки ученых-физиков использования графена даже в качестве микродатчика массы [28]. По предварительным оценкам физиков такие «атомные» весы способны взвешивать даже одну молекулу веще- ства! Технических проблем при этом у специалистов, пытающихся приспособить графен к решению подоб- ных супертонких (для нас, можно сказать, просто фантастических) физических задач, безусловно хвата- ет [28]. В настоящее время многие нанотехнологи в тесном содружестве с инженерно-техническими ра- ботниками осуществляют решения сложных приклад- ных задач по промышленному изготовлению графена с необходимыми для современной техники геометри- ческими размерами (в доли, единицы и десятки мет- ров). Учитывая исключительную научно-техническую значимость для техносферы человеческого общества полученного и изученного А.К. Геймом [30] и К.С. Новосëловым [31] нового уникального материала, они «за основополагающие эксперименты по созданию двумерного материала графена» и были удостоены Нобелевской премии по физике за 2010 г. [5, 28]. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Храмов Ю.А. История физики. − Киев: Феникс, 2006. − 1176 с. 2. Баранов М.И. Антология выдающихся достижений в науке и технике. Часть 34: Открытие и изучение квантово- волновой природы микромира материи // Електротехніка і електромеханіка. − 2016. − №5. − С. 3-15. doi: 10.20998/2074-272X.2016.5.01. 3. http://www.nkj.ru/archive/articles/3477. 4. Большой иллюстрированный словарь иностранных слов. – М.: Русские словари, 2004. – 957 с. 5. Баранов М.И. Антология выдающихся достижений в науке и технике: Монография в 2-х томах. Том 1. − Х.: НТМТ, 2011. − 311 с. 6. http://nobelprize.org/nobel_prizes/physics. 7. http://hepd.pnpi.spb.ru/ioc/ioc/line06910/n1.htm. 8. Кузьмичев В.Е. Законы и формулы физики / Отв. ред. В.К. Тартаковский. − Киев: Наукова думка, 1989. − 864 с. 9. Баранов М.И. Антология выдающихся достижений в науке и технике: Монография в 2-х томах. Том 2. − Х.: НТМТ, 2013. − 333 с. 10. http://elementy.ru/news/430612. 11. Яворский Б.М., Детлаф А.А. Справочник по физике. − М.: Наука, 1990. − 624 с. 12. Баранов М.И. Избранные вопросы электрофизики: Мо- нография в 2-х томах. Том 2, Кн. 2: Теория электрофизиче- ских эффектов и задач. − Х.: Точка, 2010. − 407 с. 13. Binasch G., Grünberg P., Saurenbach F., Zinn W. Enhanced magnetoresistance in layered magnetic structures with anti- ferromagnetic interlayer exchange // Physical Review B. − 1989. − vol.39. − no.7. – pp. 4828-4830. doi: 10.1103/physrevb.39.4828. 14. Fert А. et al. Gigant magnetoresistance of (001)Fe/(001)Cr magnetic superlattices // Physical Review Letters. − 1988. − vol.61. − pp. 2472-2475. 15. Никитин С.А. Гигантское магнетосопротивление // Соро- совский образовательный журнал. − 2004. − №2. − С. 92-98. 16. http://elementy.ru/news/430870. 17. https://ru.wikipedia.org/wiki/Кобаяси,_Макото. 18. https://ru.wikipedia.org/wiki/Маскава,_Тосихидэ. 19. http://ria.ru/science/20081007/151954918.html. 20. https://ru.wikipedia.org/wiki/Намбу,_Йоитиро. 21. http://fiz.1september.ru/view_article.php?ID=200902319. 22. https://ru.wikipedia.org/wiki/Као,_Чарльз. 23. Баранов М.И. Антология выдающихся достижений в науке и технике. Часть 29: Первооткрыватели тайн глобаль- ных природных световых явлений // Електротехніка і елект- ромеханіка. − 2015. − №6. − С. 3-13. doi: 10.20998/2074- 272X.2015.6.01. 24. https://ru.wikipedia.org/wiki/Бойл,_Уиллард. 25. https://ru.wikipedia.org/wiki/Смит,_Джордж_Элвуд. 26. https://ru.wikipedia.org/wiki/Устройство_цифрового_фото аппарата. 27. www.ferra.ru/online/digiphoto/s27140/print. 28. http://class-fizika.narod.ru/nobel2010.htm. 29. Шакирзянов Ф.Н. Графен и фоторезистивный эффект // Электричество. − 2011. − №1. − С. 65-66. ISSN 2074-272X. Електротехніка і Електромеханіка. 2017. №3 15 30. https://ru.wikipedia.org/wiki/Гейм,_Андрей_Константи нович. 31. http://www.people.su/81015. REFERENCES 1. Khramov Yu.A. Istoriia fiziki [History of Physics]. Kiev, Feniks Publ., 2006. 1176 p. (Rus). 2. Baranov M.I. An anthology of the distinguished achieve- ments in science and technique. Part 34: Discovery and study of quantum-wave nature of microscopic world of matter. Electrical engineering & electromechanics, 2016, no.5, pp. 3-15. (Rus). doi: 10.20998/2074-272X.2016.5.01. 3. Available at: http://www.nkj.ru/archive/articles/3477 (ac- cessed 15 May 2014). (Rus). 4. Bol'shoj illjustrirovannyj slovar' inostrannyh slov [Large illustrated dictionary of foreign words]. Moscow, Russkie slovari Publ., 2004. 957 p. (Rus). 5. Baranov M.I. Antologiia vydaiushchikhsia dostizhenii v nauke i tekhnike: Monografiia v 2-kh tomakh. Tom 1. [An anthology of outstanding achievements in science and technology: Monographs in 2 vols. Vol.1]. Kharkov, NTMT Publ., 2011. 311 p. (Rus). 6. Available at: http://nobelprize.org/nobel_prizes/physics (accessed 25 March 2014). (Rus). 7. Available at: http://hepd.pnpi.spb.ru/ioc/ioc/line06910/n1.htm (accessed 11 August 2012). (Rus). 8. Kuz'michev V.E. Zakony i formuly fiziki [Laws and formulas of physics]. Kiev, Naukova Dumka Publ., 1989. 864 p. (Rus). 9. Baranov M.I. Antologiia vydaiushchikhsia dostizhenii v nauke i tekhnike: Monografiia v 2-kh tomakh. Tom 2. [An anthology of outstanding achievements in science and technology: Monographs in 2 vols. Vol.2]. Kharkov, NTMT Publ., 2013. 333 p. (Rus). 10. Available at: http://elementy.ru/news/430612 (accessed 10 April 2014). (Rus). 11. Javorskij B.M., Detlaf A.A. Spravochnik po fizike [Hand- book of physics]. Moscow, Nauka Publ., 1990. 624 p. (Rus). 12. Baranov M.I. Izbrannye voprosy elektrofiziki. Tom 2, Kn. 2: Teoriia elektrofizicheskikh effektov i zadach [Selected topics of Electrophysics. Vol.2, Book 2. A theory of electrophysical effects and tasks]. Kharkiv, NTU «KhPІ» Publ., 2010. 407 p. (Rus). 13. Binasch G., Grünberg P., Saurenbach F., Zinn W. Enhanced magnetoresistance in layered magnetic structures with anti- ferromagnetic interlayer exchange. Physical Review B, 1989, vol.39, no.7, pp. 4828-4830. doi: 10.1103/physrevb.39.4828. 14. Fert А. et al. Gigant magnetoresistance of (001)Fe/(001)Cr magnetic superlattices. Physical Review Letters, 1988, vol.61, pp. 2472-2475. 15. Nikitin S.A. Giant magnetoresistance. Soros educational journal, 2004, no.2, pp. 92-98. (Rus). 16. Available at: http://elementy.ru/news/430870 (Accessed 11 July 2015). (Rus). 17. Available at: https://en.wikipedia.org/wiki/Makoto_Kobayashi_(physicist) (accessed 11 May 2010). 18. Available at: https://en.wikipedia.org/wiki/Toshihide_Maskawa (accessed 22 September 2012). 19. Available at: http://ria.ru/science/20081007/151954918.html (accessed 23 October 2014). (Rus). 20. Available at: https://en.wikipedia.org/wiki/Yoichiro_Nambu (accessed 22 June 2012). 21. Available at: http://fiz.1september.ru/view_article.php?ID=200902319 (ac- cessed 31 May 2013). (Rus). 22. Available at: https://en.wikipedia.org/wiki/Charles_K._Kao (accessed 21 January 2013). 23. Baranov M.I. An anthology of the distinguished achieve- ments in science and technique. Part 29: Discoverers of secrets of global natural light phenomena. Electrical engineering & electromechanics, 2015, no.6, pp. 3-13. (Rus). doi: 10.20998/2074-272X.2015.6.01. 24. Available at: https://en.wikipedia.org/wiki/Willard_Boyle (accessed 10 November 2011). 25. Available at: https://en.wikipedia.org/wiki/George_E._Smith (accessed 10 May 2010). 26. Available at: https://en.wikipedia.org/wiki/Digital_camera (accessed 10 April 2012). 27. Available at: www.ferra.ru/online/digiphoto/s27140/print (accessed 25 September 2014). (Rus). 28. Available at: http://class-fizika.narod.ru/nobel2010.htm (accessed 08 June 2015). (Rus). 29. Shakirzyanov F.N. Graphen and photoconductive effect. Electricity, 2011, no.1, pp. 65-66. (Rus). 30. Available at: https://en.wikipedia.org/wiki/Andre_Geim (accessed 22 October 2013). 31. Available at: http://www.people.su/81015 (accessed 10 July 2014). (Rus). Поступила (received) 27.01.2016 Баранов Михаил Иванович, д.т.н., гл.н.с., НИПКИ «Молния» Национальный технический университет «Харьковский политехнический институт», 61013, Харьков, ул. Шевченко, 47, тел/phone +38 057 7076841, e-mail: eft@kpi.kharkov.ua M.I. Baranov Scientific-&-Research Planning-&-Design Institute «Molniya» National Technical University «Kharkiv Polytechnic Institute», 47, Shevchenko Str., Kharkiv, 61013, Ukraine. An anthology of the distinguished achievements in science and technique. Part 38: Nobel Prize Laureates in Physics for 2005-2010. Purpose. Implementation of brief analytical review of the distin- guished scientific achievements of the world scientists- physicists, awarded the Nobel Prize in physics for period 2005- 2010 yy. Methodology. Scientific methods of collection, analysis and analytical treatment of scientific and technical information of world level in area of modern theoretical and experimental physics. Results. The brief analytical review of the scientific openings and distinguished achievements of scientists-physicists is resulted in area of modern physical and technical problems which were marked by the Nobel Prizes in physics for the pe- riod 2005-2010. Originality. Systematization is executed with exposition in the short concentrated form of the known scientific and technical materials, devoted creation of quantum theory of optical coherentness by scientists-physicists, development of laser exact spectroscopy, opening form of spectrum for a black body and anisotropy of space microwave base-line radiation, opening of effect of giant magnetoresistance, opening of mecha- nism of spontaneous violation of symmetry in subatomic physics, development of new technology of transmission of light in opti- cal fibres, invention of a semiconductor circuit for registration of images and results of innovative experiments on research of 2D material of graphen. Practical value. Popularization and deepening of scientific and technical knowledges for students, engineers and technical specialists and research workers in area of modern theoretical and experimental physics, extending their scientific range of interests and collaboration in further development of scientific and technical progress in human soci- ety. References 31, figures 25. Key words: modern physics, achievements, quantum theory of optical coherentness, laser overexact spectroscopy, space microwave base-line radiation, effect of giant magnetoresis- tance, spontaneous violation of symmetry, transmission of light in optical fibres, semiconductor circuit for registration of images, 2D material of graphen.

Антология выдающихся достижений в науке и технике. Часть 38: Лауреаты Нобелевской премии по физике за 2005 - 2010 гг.

Репозитарії

Схожі ресурси