Атомтроника: еще один писк Hi-Tech моды?

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

Версия для печатиВерсия для печати

Номер: 

24 за 2007 год

Рубрика: 

Новые технологии
Заметили ошибку? Выделите ее мышкой и нажмите Ctrl+Enter!