Андрей Варламов - Физика повседневности. От мыльных пузырей до квантовых технологий

Другие типы p-n- переходов, наоборот, вместо излучения света умеют превращать падающий на них свет в электрический ток – такое явление называется фотогальваническим эффектом.

Это свойство применяется в фотоэлектрических элементах, из которых состоят, к примеру, солнечные батареи. Предположим, что излученный солнцем фотон достаточной энергии попадает в полупроводник n -типа. Его поглощение приводит к образованию пары «электрон – дырка». Имеется вероятность, что дырка, прежде чем рекомбинировать с электроном, будет увлечена электрическим полем (Е = –d V /d x , в непосредственной близости от перехода на илл. 6) в область p , тогда как электрон останется в области n . Аналогичным образом, если фотон создает пару «электрон – дырка» в области p , то электрон имеет хорошие шансы перейти в n -область, в то время как дырка останется в зоне p . Таким образом, поглощение фотонов приводит к разделению зарядов: накоплению дырок в области p, а электронов – в области n . Эти носители заряда только и ждут возможности убежать от p - n перехода: электроны направятся в одну сторону, дырки – в противоположную.

8. Светоизлучающий диод (светодиод), работающий на p-n- переходе. Диоды, используемые для освещения, в отличие от лампы накаливания (см. главу 7, «От абсолютно черного тела к звездам»), излучают только видимый свет

Электродвижущая сила, вырабатываемая элементом солнечной батареи (илл. 9), составляет примерно 1 В, а сила тока – около 1 мА на квадратный сантиметр контакта. Поэтому необходимо соединить множество таких элементов последовательно, чтобы получить приемлемую электродвижущую силу, а также подключить множество этих контактов параллельно, чтобы получить достаточную силу тока. Таким образом, производство энергии с помощью солнечных панелей задействует большую площадь поверхности, а энергия на выходе относительно невелика – порядка 15 % от энергии падающего света. Несмотря на эти недостатки, солнечная энергия является отличной альтернативой ископаемым ресурсам, к тому же это неиссякаемый источник (см. главу 13). По оценкам исследователей, для удовлетворения текущих потребностей Франции в электроэнергии будет достаточно панелей солнечных батарей площадью в 5000 км 2(конечно, если будет решена проблема хранения накопленной энергии). Эта величина соответствует площади диска диаметром в 80 км или площади крыш 200 000 домов по 25 м 2каждая.

9. Принцип действия фотоэлемента. Поглощенные фотоны приводят к образованию в полупроводнике «электрон-дырочных» пар. При подключении внешней электрической цепи (слева) электроны приходят в движение: возникает электрический ток, который, к примеру, питает лампочку

Приведенные выше примеры показывают, насколько чудесными материалами являются полупроводники. Они излучают свет, превращают свет в электричество, усиливают сигналы, соблюдают одностороннее движение… Применение полупроводников не ограничивается одной лишь электроникой. Их используют и в оптоэлектронике, находящейся на стыке оптики и электроники, примером которой являются светодиоды, и которая приобретает все большее значение по мере развития оптоволоконной связи (см. главу 2). Применяются полупроводники и в комбинациях механики и электроники, таких как MEMs и NEMs (Micro и Nano ElectroMechanical Systems, микро- и наноэлектромеханические системы): например, акселерометры размером менее 1 мм, которыми оснащены современные смартфоны.

Компьютер является потомком вычислительной машины Паскаля. Два его основных взаимодополняющих наиважнейших свойства: гигантская память и способность выполнять программы, то есть реализовывать сложные задачи, определенные последовательностью инструкций. Для хранения данных применяются различные методы, использующие либо полупроводники (для USB-накопителей), либо магнетизм (для жестких дисков), либо механическое моделирование (для компакт-дисков), либо сочетание всех этих технологий. Программирование – наука, зародившаяся в 1936 году с публикацией 16-страничной статьи англичанина Алана Тьюринга (1912–1954) в журнале «Труды Лондонского математического общества». В этой чисто теоретической статье были сформулированы основные идеи структуры будущих компьютеров. Затем предложенную Тьюрингом теорию усовершенствовал великий американский математик Джон фон Нейман (1903–1957). Разработанная им архитектура вычислительной машины состояла из четырех основных элементов (илл. 10). Во-первых, арифметико-логическое устройство, или блок обработки данных, который выполняет основные операции; далее устройство управления, отвечающее за последовательность операций; затем память, содержащая как данные, так и программы, диктующие блоку управления расчеты, которые должны быть выполнены на основе этих данных; и, наконец, устройства ввода и вывода, которые позволяют компьютеру общаться с внешним миром. Память разделена на оперативную (программы и необходимые в процессе работы данные) и постоянную (программы и данные, составляющие основу устройства).

10. Архитектура фон Неймана

Недостатком компьютера фон Неймана является его «последовательный» характер: различные этапы вычислений следуют один за другим, и очередной шаг запускается только после завершения предыдущего. Один из способов сэкономить время – введение «параллелизма». Параллельные вычисления уже распространены в современных процессорах, но особые надежды на их широкое использование связываются с разработкой «квантовых» компьютеров.

Квантовый компьютер использует (или «будет использовать», или «мог бы использовать» – мы пока не уверены, какую из этих формулировок выбрать!) феномен «смешивания» квантовых состояний. Кот Шрёдингера в своей камере дает пример такого смешения состояний: он одновременно является и живым, и мертвым (см. главу 22, «Кот Шрёдингера»). К концу XX века физики поняли, что это явление может стать ценным ресурсом для расчетов в компьютерах принципиально нового типа. Вместо обработки четко определенных битов состояния квантовый компьютер обрабатывает «квантовые биты» (или кубиты), оба состояния которых каким-то образом смешиваются. Квантовые вычисления, выполняемые компьютером, представляют собой последовательность операций с квантовыми битами, состояние которых регистрируется (измеряется) только тогда, когда этого требует алгоритм. Таким образом, квантовый компьютер использует параллелизм не за счет разделения вычислений на куски и проведения их различными ядрами процессора, а параллелизм истинный, присущий квантовой механике. Квантовые вычисления в некотором роде позволяют рассматривать одновременно и мертвого, и живого кота!