На протяжении большей части XX века главной наукой была физика. Электрификация, автомобили, полеты в космос, атомная бомба - всеми этими достижениями (если такое слово приложимо к последнему из упомянутых изобретений) человечество обязано именно физике. Ближе к началу нового века энтузиазм человечества в отношении физики слегка угас, а безусловной фавориткой стала биология, обещавшая такие чудеса, как трансплантация новых органов и победа над старостью. Однако, несмотря на потерю статуса, физика не умерла. Ученые, выбравшие для себя эту науку, продолжают работать и создавать удивительные вещи, которые однажды в будущем, возможно, совсем недалеком, смогут изменить мир.
На прошлой неделе физики как будто специально решили напомнить о себе. Практически одновременно вышло множество работ в самых различных областях этой науки. Большая часть исследований была связана с созданием разного рода электронных устройств - очень маленьких или весьма необычных.
Компьютер из всего
Первые машины, для описания которых можно применить термин "компьютер", появились в 1940-х годах. Прародители современных ноутбуков и КПК занимали десяток комнат и могли выполнять несколько тысяч элементарных операций в секунду. Основу электронных вычислительных машин, как их было принято называть в СССР, составляли вакуумные лампы размером с небольшой огурец. На смену лампам пришли транзисторы, которые позже уступили место интегральным кремниевым схемам.
Вскоре после рождения микроэлектроники стало понятно, что ее развитие будет стремительным. В 1965 году, через шесть лет после изобретения интегральной схемы, один из основателей компании Intel Гордон Мур предсказал, что каждые два года число транзисторов на кристаллах интегральных схем будет удваиваться. С ростом числа транзисторов растет и мощность соответствующих вычислительных устройств.
Закон Мура неуклонно выполнялся до настоящего момента. Элементарные компоненты вычислительных устройств становились все меньше и меньше, пока на прошлой неделе большая группа физиков из разных стран не доложила о создании диода из одной молекулы. Диодом называют устройство, которое пропускает электрический ток только в одном направлении. Диоды лежат в основе работы транзисторов, которые с высокой вероятностью тоже уменьшатся до размеров молекул в обозримом будущем.
Гетероциклическими соединениями, или гетероциклами, называют органические молекулы, имеющие кольцевую структуру и содержащие в своем составе атомы других элементов, помимо углерода.
Мономолекулярный диод состоит из единственной молекулы, один из концов которой закреплен на катоде (электрод, присоединенный к отрицательному полюсу источника тока), а второй - на аноде (электрод, который соединен с положительным полюсом). Молекула-диод состоит из четырех гетероциклических колец, причем на одной ее половине наблюдается дефицит электронов, а на другой - избыток. Свойства диода обеспечиваются за счет того, что концы молекулы прикреплены к электродам строго определенным образом.
Главное достижение авторов нового исследования заключалось именно в разработке схемы присоединения молекулы к электродам. Ученые защитили особые группировки на концах молекулы химическими группами, которые "отваливались" при различных условиях. Последовательно создавая необходимые условия, специалисты добились формирования связей сначала между электродом и одним из концов молекулы, а потом между "оставшимся" концом и вторым электродом.
За несколько дней до выхода работы по созданию диода из одной молекулы другой коллектив исследователей опубликовал статью с описанием микроволнового диода. Как следует из названия, такое устройство пропускает в одном направлении только излучение микроволнового диапазона частот. Добиться такой избирательности авторам удалось за счет использования "леса" из полупроводниковых наноштырей. Подобный "нанолес" обладает свойствами фотонного кристалла - структуры, диэлектрическая проницаемость которой периодически меняется при переходе от одной части кристалла к другой.
Демон Максвелла - существо, способное переносить быстрые (горячие) молекулы из более холодной области в более горячую, а медленные (холодные) - наоборот, из более горячей в более холодную. Таким образом демон Максвелла нарушает второй закон термодинамики.
Такое строение приводит к появлению запрещенных зон для фотонов определенных энергий. То есть, кристалл блокирует распространение света определенных длин волн и беспрепятственно пропускает излучение других (длина волны излучения связана с энергией фотона обратной зависимостью). Микроволновые диоды теоретически позволяют создавать компьютеры, в которых переносчиками информации являются фотоны, а не электроны.
Одновременно с описанием микроволнового диода появилось исследование, посвященное тепловым диодам. Помимо создания гипотетических тепловых компьютеров такие диоды могут пригодиться для конструирования охлаждающих систем для "обычных" процессоров. В описании теплового диода неуловимо видится демон Максвелла, и это заставляет несколько настороженно относиться к этой работе.
Компьютер из ничего
Еще один гипотетический тип вычислительных устройств, который, возможно, появится в будущем - это квантовые компьютеры. Элементарными единицами таких устройств выступают квантовые системы, а для работы пока не созданных компьютеров используются квантовомеханические эффекты. Несмотря на некоторые ограничения квантовых компьютеров (в частности, они выдают не точный ответ, а вероятностный), их вычислительная мощность намного превосходит мощности традиционных аналогов.
Первые работы, в которых разрабатывалась концепция квантовых компьютеров, появились еще в 1960-х годах. Спустя почти полвека физики и математики существенно углубили теоретические основы работы таких компьютеров, однако практическая реализация все еще остается под вопросом. Тем не менее, ученые по всему миру исследуют возможности квантовых компьютеров и рассматривают различные варианты эмпирического воплощения многочисленных идей.
За прошедшую неделю физики еще немного приблизились к созданию квантового компьютера. Во-первых, им удалось описать, как такие машины будут решать системы линейных уравнений (это умение незаменимо, например, при работе с трехмерной графикой). Во-вторых, ученые описали так называемый дробный эффект Холла в графене. За сложным названием скрывается возможность образования квазичастиц с дробным зарядом, которые могут использоваться в квантовых компьютерах. Графен является чрезвычайно перспективным во многих отношениях материалом, однако до сих пор наблюдать в нем дробный эффект Холла не удавалось. Подытоживая, можно сказать, что новая работа указывает на возможность создания квантовых компьютеров на основе графена.
Необозримые перспективы, открывающиеся в связи с бурным развитием микроэлектроники и (гипотетически) квантовых компьютеров, может перечеркнуть еще одно исследование, появившееся на прошлой неделе. Команда физиков подсчитала, что тот самый закон Мура, который оставался справедливым больше 40 лет, вскоре может нарушиться. Появление у закона Мура "срока годности" связано с фундаментальными законами, не зависящими от уровня развития техники.
Исследователи определили минимально возможное время, необходимое для выполнения одной вычислительной операции. Зная этот параметр, физики подсчитали, сколько операций сможет выполнять идеальный квантовый компьютер за секунду. Согласно их выводам, это число составляет свыше 10 квадриллионов. Быстрее не сможет работать ни один компьютер, насколько бы совершенным и квантовым он ни был. Впрочем, 10 квадриллионов операций в секунду - это настолько огромное число, что, вероятнее всего, действие закона Мура закончится по банальным технологическим причинам задолго до достижения этого значения.
Приятные мелочи
В областях физики, не связанных с квантовыми компьютерами, за последнее время тоже произошло немало интересного. Например, ученые описали, как должна работать такая полезная вещь, как фотонный термос. Собственно, такой термос почти ничем не отличается от обычного, только вместо вакуума между стенками сосуда находятся уже упоминавшиеся выше фотонные кристаллы.
Кроме того, физикам впервые удалось наблюдать "магнетричество". Этим термином обозначают движение магнитных монополей - до недавнего времени существовавших только в теории квазичастиц с ненулевым магнитным зарядом. Монополи впервые были получены в спиновом льду в сентябре 2009 года. Авторы новой работы смогли зафиксировать "ток" магнитных монополей и измерить их заряд.Магнитный монополь можно мысленно представить себе как один из полюсов магнита в отсутствии второго. В реальности, если попытаться разделить один магнит надвое, то каждый из полученных магнитов все равно будет обладать двумя полюсами.
Другой коллектив исследователей создал в лаборатории черную дыру. Пока она необратимо поглощает только микроволновое излучение, но до конца года авторы обещали сконструировать дыру, "работающую" для всех диапазонов частот. Настольная черная дыра состоит из нескольких слоев метаматериалов. Эти вещества обладают способностью хитрым образом искривлять пути световых лучей. Наиболее активно развивающейся сферой применения метаматериалов является создание устройств, делающих окружающие предметы невидимыми и неслышимыми. Однако не так давно с их помощью предложили сконструировать Большой Взрыв, с которого, как считает большинство физиков, началась Вселенная.
Все еще будет
Несмотря на то что физика не очень часто появляется в заголовках новостей, эта наука продолжает активно развиваться. В настоящее время физики осваивают совершенно новые области, так что пока многие работы являются своего рода пробными шарами. Что будет, когда эти шары вырастут и покатятся по-настоящему, сегодня предсказать трудно. Но с высокой вероятностью - будет интересно.