Компьютерра - Журнал «Компьютерра» № 20 от 29 мая 2007 года

К сожалению, пока эксперименты проводились лишь при низких температурах (-188 градусов Цельсия) для снижения тока утечек. Первоочередной задачей ученых теперь будет демонстрация кремниевых спинтронных устройств, работающих при нормальной температуре. ГА

Новый способ лазерного охлаждения полупроводников предложил теоретик из Университета Джонса Хопкинса в Балтиморе Джейкоб Хургин (Jacob Khurgin).

На первый взгляд очень странная идея задействовать лазерный свет для охлаждения чего бы то ни было, на самом деле не является ни странной, ни новой. В основном лазер используют в научных лабораториях для охлаждения отдельных атомов до сверхнизких температур. Вариаций тут много, но механизм охлаждения обычно везде одинаков. Частоту света лазера выбирают так, чтобы энергия его фотонов была чуть меньше характерной энергии спонтанного испускания атомов. Тогда, поглотив фотон, возбужденный атом затем излучает фотон с чуть большей энергией и за счет этой разницы в энергиях постепенно охлаждается.

В твердом теле похожий механизм удалось реализовать для охлаждения стекол с примесями иттербия и других редкоземельных элементов. Но все попытки сделать что-то похожее в полупроводниках до сих пор терпели фиаско. В полупроводнике поглощенный фотон, как правило, создает пару из электрона и дырки, которая редко рекомбинирует с испусканием фотона с большей энергией. Наоборот, чаще излучаются фотоны с меньшей энергией, а разница нагревает кристаллическую решетку материала. Кроме того, излученный фотон часто вновь поглощается материалом, что ведет к дополнительному нагреву.

В новом способе охлаждения слой полупроводника нужно расположить вблизи поверхности металла с вакуумным зазором около десяти нанометров. В такой слоистой конструкции могут существовать так называемые поверхностные плазмоны-поляритоны – кванты коллективных колебаний электромагнитного поля и свободных электронов в металле. Как подсчитал теоретик, пары из электрона и дырки в полупроводнике тогда смогут рекомбинировать, испуская вместо фотона такой экзотический плазмон-поляритон, который с вероятностью 99,9% поглотится именно в металле. Таким образом, энергию из слоя полупроводника можно будет перекачивать в металл, который уже придется охлаждать обычным кулером.

Расчеты показывают, что если в качестве полупроводника взять нитрид галлия, а металлический слой сделать из серебра, то общая эффективность такого холодильника составит около трех процентов. А этого уже достаточно для практических приложений. Причем полупроводник будет охлаждаться непосредственно и сразу во всем своем объеме, что значительно снизит в нем вредные перепады температур.

Дело вроде бы за малым – проверить новую теорию в эксперименте. Но автор в ней вполне уверен и считает, что эффективность холодильника можно значительно увеличить, если сделать поверхность металла рифленой. В случае успеха новый способ в первую очередь будет использоваться для охлаждения чувствительных инфракрасных детекторов на спутниках и в приборах ночного видения. А там, быть может, и до процессоров дело дойдет. ГА

Традиционной для многих последних месяцев неудачей закончились два мероприятия, посвященные внедрению новых космических технологий. Человек со своим прогрессом был бит как на Земле, так и за пределами атмосферы. Посыпать голову пеплом, впрочем, рано, ведь легкая дорожка техническим новинкам выпадает далеко не всегда, и, наверное, нет ничего страшного в том, что при решении поставленных задач в ответе порой получаются пресловутые полтора землекопа. Если быть точнее, то количество копающих в конкурсе NASA Regolith Excavation Challenge правильнее было бы обозначить как 0,5.

Американское аэрокосмическое агентство продолжает серию «челленджей», посвященных будущему освоению Луны. На сей раз автономным роботам предстояло копать имитирующую лунный грунт субстанцию, собранную в емкости, напоминающей песочницу. Задача, поставленная организаторами конкурса, выглядела весьма «школьно»: «на объекте работают четыре экскаватора, за полчаса работы каждый должен выкопать не меньше 150 кг грунта, сколько грунта выкопано всего». Дополнительным и весьма важным условием послужила обязательная миниатюрность «строительной» техники: каждый «робокоп» должен весить не более сорока килограммов и потреблять не более 30 Вт энергии. Участники состязания без всяких неожиданностей выбрали дифференциальный метод решения, то есть, все работали только за себя, пытаясь добыть виртуально зарытые в лунной песочнице 250 тысяч долларов премиальных. Трое из четверых конкурсантов сошли с дистанции в самом начале, и, разумеется, по техническим причинам. Четвертый претендент на лунный клад (Technology Ranch, Калифорния) к истечению срока немного не дотянул до половины положенного норматива, и все четыре команды разработчиков были отправлены на пересдачу. NASA решило ободрить «двоечников»: понимая, что создание аппарата, удовлетворяющего столь жестким требованиям, дело хлопотное и дорогостоящее, учредитель пообещал в следующем году на той же глубине разместить на полмиллиона долларов больше.

А несколько раньше, в рамках эксперимента Multi-Application Survivable Tether (MAST) на околоземную орбиту был запущен небольшой спутник, которому предстояло провести испытания довольно модной технологии: космической нити (троса, каната). В последние годы много говорится и пишется об этой чудесной возможности в некоторых случаях отказаться от дорогих в использовании ракетных двигателей. Речь, как правило, идет об идее космического лифта, который позволил бы доставлять на орбиту грузы, а также о коррекции орбит спутников. С лифтами пока совсем плохо, а вот взаимодействие аппаратов посредством нити на орбите уже удалось довести до испытаний.

На самом деле, в MAST было задействовано целых три аппарата. Один должен был отделиться от двух других для того, чтобы размотать километровую нить толщиною в полмиллиметра. На втором, номинально главном спутнике разместилась бобина с нитью, навигационное устройство и антенна. Третьему аппарату, тому, что изначально был размещен посередине, предстояло позднее проследовать по всей длине нити, изучая ее целостность посредством фотографирования и сообщая о повреждениях, полученных в ходе эксперимента. Увы, до этого не дошло: из-за сбоя в работе ограничителя первые два аппарата разошлись лишь на несколько метров.

Эта неудачная попытка обошлась меньше чем в миллион долларов. NASA сделало только первый практический шаг к цели. Кроме использования космического троса в коррекции орбит и удержания на нужном расстоянии разрозненных частей орбитального комплекса есть идея и так называемой космической пращи, которая с помощью все той же нити позволит поймать аппарат на низкой орбите и перевести его на иную, даже межпланетную траекторию. Кто знает, может быть, именно так к Луне запустят первый экскаватор. АБ