Nobela prēmija fizikā 2009

Detaļas: Publicēts 23 Oktobris 2009

Ar 2009. gada Nobela prēmiju fizikā ir apbalvoti trīs cilvēki - ķīnietis Čārlzs Kao un amerikāņi Vilards Voils un Džordžs Smits - par pētījumiem informācijas tehnoloģiju jomā. Kao stāvēja pie optisko šķiedru datu pārraides tehnoloģijas šūpuļa, bet Boils un Smits izgudroja pusvadītāju ierīci, kas ļāva tiešā veidā, iztiekot bez fotofilmas, iegūt digitālās fotogrāfijas. Viņu darbi izraisīja īstu revolūciju vispirms praktiskajā zinātnē, pēc tam zinātņietilpīgajās tehnoloģijās, bet pēdējā desmitgadē tie ir kļuvuši par nozīmīgu mūsu ikdienas dzīves sastāvdaļu un palielinājuši sadzīves komfortu. Pietiek jau iedomāties, kā izskatītos mobilais telefons ar filmu, nevis digitālo fotokameru!

Optiskās šķiedras sakari

Par vienu no 20. gadsimta tehnoloģiskajām revolūcijām kļuva izgudrojumi, kas ļāva nodot informāciju lielos attālumos - gan pa vadiem, gan arī bez tiem, izmantojot radioviļņus. Sākumā šķita, ka šiem diviem variantiem vajadzētu pilnībā apmierināt visas cilvēka prasības informācijas pārraides un komunikāciju jomā. Taču mūsdienu pasaulei šo kanālu caurlaides spēja - piemēram, megabiti sekundē vai vienlaicīgu telefona sarunu skaits - ir pat ļoti nepietiekama. Un pats svarīgākais - šai caurlaides spējai ir principiāla robeža, ko nevar apiet ne ar kādiem tehnoloģiskiem pilnveidojumiem un kas ir saistīta ar lēnajiem procesiem, kas norit pašā pārraides kanālā.

Aplūkosim sākumā informācijas pārraidi ar radioviļņiem, kuru nesējfrekvence ir 100 MHz. Informācija šajā gadījumā tiek kodēta kā nelielas nesējviļņa modulācijas, taču šīm modulācijām jābūt daudz lēnākām par paša viļņa svārstībām - citādi vilnis būs pārlieku izkropļots un aizņems pārāk lielu frekvenču joslu. Tas nozīmē, ka šādā vilnī var iekodēt secību no bitiem, kas seko viens otram ne biežāk kā daži megabiti sekundē. Tāpēc, ja vēlamies palielināt informācijas pārraides ātrumu, mums neizbēgami nāksies palielināt arī elektromagnētisko viļņu nesējfrekvenci. Tieši tāpēc fiziķi ir pievērsušies gaismas impulsiem. Ja frekvence ir ar kārtu 1015 Hz, gaismas impulsi ļauj, vismaz teorētiski, pārraidīt simts terabitus sekundē (patiesībā te jautājums jau ir par signālu raidītāja un uztvērēja ātrumu).

Interesanti, ka pirmo mēģinājumu pārraidīt telefona sarunu ar gaismas palīdzību realizēja Aleksandrs Greiems Bells jau 1880. gadā, telekomunikācijas tehnoloģiju uzplaukuma laikā. Viņa ierīce - fotofons - ar trīcoša spoguļa palīdzību pārveidoja skaņas vilni par modulētu saules gaismas staru, kuru uztvērējs saņēma pa gaisu. Šī shēma acīmredzami bija pakļauta gaismas trokšņiem, bija ļoti atkarīga no atmosfēras stāvokļa un jebkurā gadījumā varēja pārraidīt signālus tikai nelielā attālumā tiešās redzamības robežās. Efektīvākai ierīces darbībai gaisma bija jāraida pa kanālu, kas aizsargāts no ārējiem gaismas traucējumiem.

Te palīgā varēja nākt optiskā šķiedra - aizsargkārtā ievietots tievs un tāpēc diezgan lokans stikla pavediens. Tāds kanāls vada gaismu, pateicoties pilnās iekšējās atstarošanās parādībai. Tā ir parādība, kurā gaisma, kas virzās šķiedrā un nonāk līdz robežai "stikls-gaiss", nevar izkļūt ārā, atstarojas atpakaļ stiklā un rezultātā virzās pa šķiedru, paklausīgi sekojot visiem tās izliekumiem.

20. gadsimtā bija mēģinājumi izmantot šo efektu, lai pārraidītu gaismas signālus lielos attālumos, taču tad atklājās negaidīts fakts - stikls izrādījās nemaz nav tik caurspīdīgs materiāls. Jūs varat par to pārliecināties patstāvīgi. Paņemiet logu stikla plāksni un palūkojieties caur to no sāniem (caur šaurāko malu). Jūs ieraudzīsiet nevis attēlu no pretējās malas, bet gan stikla biezumu raksturīgā zaļganā krāsā. Gaisma spēj tikt cauri parastajam stiklam tikai viena-divu metru attālumā.

Atkāpe par mērvienībām. Ja šķiedra ir viendabīga, tad signāla intensitātes samazināšanās (tas ir, gaismas impulsa spožuma samazināšanās) norit eksponenciāli atbilstoši attālumam. Citiem vārdiem, kārtu skaits, par kuru samazinās signāla intensitāte, ir proporcionāls noietā ceļa garumam. Ja signāls samazinājās 10 reizes 10-metrīgā šķiedrā, tad tas samazināsies 100 reizes 20-metrīgā šķiedrā, 1000 reizes 30-metrīgā utt. Tehnikā kārtas bieži izsaka decibelos: 10 dB - tā ir izmaiņa par vienu kārtu, 20 dB - izmaiņa par divām kārtām utt. Tāpēc konkrētu pārraides līniju raksturo tās absorbcijas koeficients, kuru izsaka dB/m (vai dB/km). Piemēram, iepriekš aprakstītā situācija (10-kārtīga samazināšanās katros 10 metros) atbilst absorbcijas koeficientam 1000 dB/km.

Pat pašos tīrākajos stiklos, kurus izgatavoja 20. gadsimta pirmajā pusē, gaisma apdzisa jau desmit metru garā ceļā - absorbcijas koeficients bija ar kārtu 1000 dB/km. Optiskās šķiedras tomēr sāka izmantot dažos gadījumos, kuros nebija nepieciešamība pēc lieliem attālumiem (piemēram, medicīnā gastroskopijā). Taču izmantot optiskās šķiedras, lai izveidotu efektīvu datu pārraides līniju lieliem attālumiem, vēl aizvien bija nereāli. Novērtējumi liecināja, ka tam, lai optiskā šķiedra kļūtu par efektīvu komunikatīvu nesēju, absorbcijas koeficients ir jāsamazina vismaz simts reizes - teiksim, līdz 20 dB/m līmenim. Taču 20. gadsimta vidū nepavisam nebija skaidrs, kā to panākt un vai to var panākt vispār. Un, protams, bez absorbcijas bija vēl arī citas problēmas, piemēram, gaismas dispersija stiklā, kuras dēļ gaismas impulsa profils tika izkropļots līdz nepazīšanai.

Tā rezultātā 1950. gados vispārējā speciālistu attieksme pret to visu bija ļoti skeptiska, un daudz lielāku optimismu radīja citi telekomunikāciju veidi. Piemēram, 1956. gadā tika ierīkots pirmais transatlantiskais telefona kabelis, bet pēc pāris gadiem sākās strauja pavadoņu tehnoloģiju attīstība (pirmais komunikāciju pavadonis bija palaists jau 1958. gadā).1960. gados Čārlzs Kao, jauns ķīniešu izcelsmes inženieris, kas tikko bija aizstāvējis disertāciju Londonas universitātē, nolēma noskaidrot, kāpēc nekādi neizdodas panākt vajadzīgo stikla caurspīdīgumu. Kopā ar jauno teorētiķi G. A. Hokemu (G. A. Hockham) viņš uzmanīgi izpētīja visdažādākos optiskos procesus stiklā un nonāca pie slēdziena, ka galvenais faktors gaismas apdzišanas procesā ir vienkārši piemaisījumi stikla masā. Kao paredzēja - ja izdotos atbrīvoties no šiem piemaisījumiem, tad varētu panākt absorbcijas koeficientu, kas būtu daži dB/km!

Tajā laikā "nāca palīgā" arī lāzeri ar gaismu, kas bija ideāli piemērota signālu pārraidei optiskajā šķiedrā. Tā rezultātā 1960-ajos gados interese par šo problēmu uzliesmoja ar jaunu spēku, un sākās visīstākās tehnoloģiskās sacīkstes - kurš iegūs pēc iespējas tīrāku stiklu ar minimāliem zudumiem. Liela loma šajā procesā bija pašam Kao. Viņš turpināja aktīvi pētīt gaismas izplatīšanos dažādos materiālos un nonāca pie secinājuma, ka labākā izvēle būs kvarca stikls. Turklāt viņš aktīvi propagandēja optisko šķiedru informācijas tehnoloģiju ideju, biedrojās gan ar dažādu laboratoriju līdzstrādniekiem, gan arī ar inženieriem un rūpniekiem.

Augstas tīrības kvarca stikla izgatavošana izrādījās sarežģīts uzdevums - tā ļoti augstās kušanas temperatūras dēļ. Un tomēr 1970. gadā izeja bija atrasta - pētnieku grupa no kompānijas "Corning Glass Works" (Roberts Maurers, Donalds Keks, Pīters Šulcs) iemācījās izveidot vajadzīgās šķiedras, izmantojot tehnoloģiju ar ķīmisku izgulsnēšanu no gāzveida fāzes. 1970. gadā viņi panāca koeficientu 16 dB/km, pēc diviem gadiem šī vērtība tika pazemināta līdz 4 dB/km. Pēc pieciem gadiem pirmie komerciālie optiskās šķiedras kanāli parādījās Lielbritānijā, pēc tam ASV un Japānā, bet 1988. gadā tika ierīkots pirmais starpatlantiskais optiskās šķiedras kabelis. Tehnoloģija, protams, turpināja attīstīties (sk. 3. att.), un šobrīd ir pieejami supercaurspīdīgi elementi ar absorbcijas koeficientu, kas ir mazāks par 0,2 dB/km. Tas ir pat mazāk nekā vērtējumi, kurus Kao izteica savos teorētiskajos darbos.

Šīs tēmas noslēgumā ir derīgi palūkoties arī uz grafiku, kas attēlo kvarca stikla absorbcijas koeficienta atkarību no gaismas viļņa garuma (4. att.). No tā ir redzams, ka izkliedes zudumi vismazākie ir nevis optiskajā, bet gan infrasarkanajā spektra daļā. Samazinoties viļņa garumam, absorbcijas koeficients krasi pieaug, jo gaisma izkliedējas vides laušanas koeficienta neviendabīguma dēļ (Releja izkliede). No otras puses, joslā ar viļņu garumu virs 1 mikrometra sāk parādīties spēcīgas hidroksilās grupas OH absorbcijas līnijas, no kurām optiskajā šķiedrā atbrīvoties neizdodas. Tā rezultātā minimālā absorbcija ir atsevišķos "caurspīdīguma logos" (parasti tie ir 1,3 mikrometri un 1,55 mikrometri), kuri atrodas tuvējā infrasarkanajā diapazonā, un tieši šajās frekvencēs arī darbojas optisko šķiedru sakari.Starp citu, ir interesanti pieminēt, ka tieši Releja izkliedes dēļ debesis izskatās gaiši zilas, bet saulriets - sarkans: jo "sarkanāka" - ar garāku viļņa garumu - ir gaisma, jo tālāk tā nonāk un jo mazāk tā izkliedējas atmosfērā. Tāpēc var teikt, ka infrasarkanais diapazons optisko šķiedru sakariem tika izvēlēts tā paša iemesla dēļ, kura ietekmē saulriets iekrāso debesis purpura krāsā.

Ierīce ar lādiņa saiti

Otra Nobela prēmijas puse tika piešķirta Vilardam Boilam un Džordžam Smitam par izgudroto lādiņa saites ierīci - LSI (angliski CCD - charged-coupled device). Tā sauc pusvadītāju ierīci, kas ļauj veidot fotogrāfijas jau uzreiz ciparu formātā: bija gaismas plūsma - un no tās uzreiz tika izveidots fails ar attēlu. Tagad, kad digitālā fotogrāfija ir kļuvusi tik pierasta, zūd izjūta par to, cik revolucionārs izrādījās šis atklājums. Vēl pirms dažām desmitgadēm fotogrāfisko datu digitālā apstrāde, kas tika izmantota tikai zinātniskos pētījumos, bija ilga un sastāvēja no daudziem etapiem. Attēlu fiksēja uz fotofilmas, attīstīja drukāja, pēc tam skenēja, pārvērta par failu un tikai tad apstrādāja. LSI matrica, kas, iztiekot bez šiem etapiem, uzreiz deva aprēķiniem derīgu digitālo attēlu, spēcīgi vienkāršoja un paātrināja visu novērošanas un datu apstrādes procesu.

Lādiņa saites ierīce kļuva iespējama, pateicoties divām lietām: pārsteidzošai materiālu klasei, kuru radījusi daba, - pusvadītājiem, un drosmīgajiem pētniekiem, kas izdomāja, kā pilnā mērā izmantot to īpašības. Boils un Smits, būdami līdzstrādnieki pazīstamajā laboratorijā Bell Labs (kura, starp citu, ir nopelnījusi jau septiņas Nobela prēmijas, un tomēr, neraugoties uz to, pērn nolēma slēgt savu fundamentālo pētījumu grupu), ieguva uzdevumu izdomāt efektīvu pusvadītāju ierīci informācijas ierakstīšanai un nolasīšanai, kurā informācija glabātos kā mikroskopiski "lādiņa mākoņi". Šī uzdevuma mērķis bija radīt konkurenci citai tās pašas Bell Labs apakšnodaļai, kurā jau pilnā gaitā tika izstrādāti atmiņas elementi, kas balstījās "magnētiskajos burbulīšos". Turklāt pagaidām nebija ne runas par kaut kādu virsjūtīgumu - uzdevums bija tikai par ierīci informācijas glabāšanai un nolasīšanai.

Nozīmīgajā 1969. gada 17. oktobrī Boils un Smits ķērās pie šī uzdevuma un burtiski stundas laikā uz tāfeles uzskicēja vajadzīgās lādiņu saites ierīces prototipu. Tās galvenais elements ir ļoti vienkārša MOP-struktūra ("metāls-oksīds-pusvadītājs") - plāksne, kas sastāv no metāliskā slāņa un pusvadītāja slāņa, kas atdalīti ar plānu izolatora starpslāni - parasti silīcija oksīdi (sk. 5. att.). Turklāt pusvadītājs tiek izvēlēts tāds, kurā galvenie lādiņa nesēji ir nevis elektroni, bet gan "caurumi", - tas ir, p-tipa pusvadītājs (ļoti vienkāršs ievads ir atrodams šeit - Elektriskā strāva pusvadītājos). Pie metāliskās plāksnītes ir pievienots elektrods, un tam var pievadīt vajadzīgo spriegumu."Bita" loma šādā ierīcē ir jāspēlē elektronu mākonītim. Taču glabāt to p-tipa pusvadītājā tik vienkārši neizdosies: "caurumi" tūlīt pat saskries un "norīs" visus brīvos elektronus. Tāpēc ir nepieciešams radīt nelielu apgabalu, kurā caurumu būtu ļoti maz, un vienlaicīgi izdarīt tā, lai elektroni no šī apgabala nekur neaizskrietu. Abas šīs prasības tiek viegli izpildītas, ja metāliskajam elektrodam pievada pozitīvu spriegumu. Radītā elektriskā lauka ietekmē caurumi sava pozitīvā lādiņa dēļ pametīs nelielo apgabalu, kas atrodas tieši zem elektroda, bet elektroni - tieši pretēji - "sēdēs" tajā un nekur neaizklīdīs. Rodas "lamatas elektroniem", kas tad arī glabā informāciju. Ja lamatās ir elektroni - šūnā ir ierakstīts "vieninieks", ja nē - "nulle".

Taču šeit uzreiz rodas jautājums - bet kā gan nolasīt šo informāciju? Pietiek tikai "atlaist" pozitīvo spriegumu un elektronu mākonītis izzudīs. Lūk šim mērķim Boils un Smits tad arī izdomāja jauno datu pārraides metodi, ko nosauca par lādiņa saiti (6. att.).

Pieņemsim, ka mums ir MOP-struktūru virkne - tāda viendimensionāla LSI-matrica. Katrai atmiņas šūnai ir pievienoti elektrodi; turklāt ir arī neinformatīvas MOP-palīgstruktūras, kas atdala atmiņas šūnas. Informācijas glabāšanas laikā informācijas šūnām ir pievadīts vajadzīgais spriegums, bet palīgšūnām - nē. Pēc tam visām kaimiņu šūnām - teiksim, pa labi - arī tiek pievadīts vajadzīgais spriegums, un tā rezultātā katras "elektronu lamatas" paplašinās par divām šūnām. Nākošajā solī spriegums no sākotnējām šūnām tiek noņemts, "elektronu lamatas" atkal sašaurinās, taču tās jau ir pārvietojušās vienu soli pa labi, un visi elektroni paklausīgi pārplūst uz to. Tādā veidā, informācija par visām atmiņas šūnām ir sinhroni pavirzījusies pa labi. Tā notiek ciklu pēc cikla, bet pie izejas no šīs "līnijas" atrodas viena vienīga nolasošā ierīce, kas vienkārši uztver tai pienākošo lādiņu un rada parastu digitālu elektrisko signālu.

Divdimensionālai LSI-matricai nolasīšanas princips ir tieši tāds pats (sk. 7. att.). Vispirms visa matrica sinhroni pavirzās par vienu reģistru lejup, pēc tam no pašas zemākās rindas (un vienīgi no tās) tiek nolasīta ienākusī bitu kolona - tieši tādā veidā, kā tika aprakstīts iepriekš. Pēc tam visa matrica atkal pabīdās par vienu reģistru lejup, no apakšējās rindas atkal tiek nolasīta informāciju, utt. Tā rezultātā ļoti kompaktā pusvadītāju konfigurācijā un izmantojot vienu vienīgu ierīci, kas detektē pienākušo lādiņu, ir iespējams secīgi, rindu pēc rindas nolasīt visu datu masīvu.Līdz šim runa bija tikai par manipulācijām ar atmiņas šūnām un informācijas nolasīšanu. Taču šo informāciju tur ierakstīt nav obligāti - tā varēja tur rasties patstāvīgi, LSI-matricu apstarojot ar gaismu. Tas tā notiek tāpēc, ka pusvadītājam ir vēl viena unikāla īpašība - gaismas jūtība. Gaismas fotoni, nonākot pusvadītājā, tajā rada elektronu un caurumu pārus. Ja tāds process notiek MOP-struktūrā, sākotnēji tukšajās "elektronu lamatās", tad elektroni nosēžas tajā, bet caurumi aiziet prom. Tā rezultātā laika gaitā lamatās uzkrājas lādiņš, kas ir apmēram proporcionāls absorbētajai gaismas plūsmai. Sanāk, ka MOP-struktūra darbojas kā gaismas jūtīgs pikselis ar diezgan plašu spilgtuma gradācijas diapazonu. Un, ja tagad nolasīšanas procesā ierīce ne tikai detektēs lādiņa neesamību vai klātbūtni kārtējā atmiņas šūnā, bet arī spēs izmērīt uzkrāto lādiņu, tad mums sanāks visīstākais optiskais attēls, kas būs ierakstīts uzreiz digitālā veidā.

Protams, mūsdienu LSI-matricas ir daudz pilnīgākas par šo ļoti vienkāršo shēmu. Mūsdienu LSI-matrica prot atpazīt krāsas, zina, kā izvairīties no "elektronu lamatu" pārpildīšanas, kā arī pati ir veidota, izmantojot pilnveidotu pusvadītāju tehnoloģiju. Dažas detaļas var atrast rakstos Tendences digitālajā fotogrāfijā, 3. daļa un Digitālās kameras sirds: LSI-matrica.

Savukārt, kas attiecas uz LSI-matricu pielietojumu, tad tās jau sen ir ienākušas mūsu dzīvē kompaktu foto un videokameru veidā. Miniatūrās LSI-matricas ir izraisījušas revolūciju arī medicīnā, to pielietojums krasi paplašinājis gan diagnostiskās (piemēram, dažādos endoskopijas variantos), gan arī operatīvās ārsta iespējas. Pateicoties tām ir attīstījusies minimāli invazīvās ķirurģijas (lapraskopijas) tehnika. Turklāt, šobrīd LSI-matricas plaši izmanto ne tikai optiskā starojuma, bet arī citu starojuma joslu detektēšanai, piemēram, tās izmanto mazu dozu rentgena ierīcēs. Uz LSI pamata funkcionē arī virsotņu detektori, kas reģistrē mūsdienu kolaideros tapušās elementārdaļiņas. LSI matricas atrodas visos mūsdienu teleskopos, ieskaitot kosmiskos. Taču tas viss sākās tieši ar Boila un Smita veiksmīgo atskārsmi par to, kā glabāt un secīgi nodot "elektronu mākonīšus" pusvadītājā.

Oriģinālie laureātu raksti:

1) K. C. Kao and G. A. Hockham. Dielectric-Fibre Surface Waveguides for optical frequencies // Proc. IEEE, 133, 1151 (1966).
2) W. S. Boyle and G. E. Smith. Charge-Coupled Semiconductor Devices // Bell Systems Technical Journal, 49, 587 (1970).

Avoti:

The Nobel Prize in Physics - oficiālā informācija no Nobela prēmijas komitejas.
Tutorial on Fiber Optics - īss ievads optiskās šķiedras sakaru tehnoloģijā.
Gaismas vadu ražošanas vēsture un fiziskie parametri - īss ekskurss vēsturē un ražošanas tehnoloģijā.
М. П. Петров. Световолокна для оптических линий связи // Соросовский образовательный журнал, 1996, №5, стр. 101-108.
В.В.Шевченко, Физические основы современных линий передач сигналов // Соросовский образовательный журнал, 1997, №3, стр. 100-106.

Igors Ivanovs

Ilmāra Cīruļa tulkojums

Raksts pārpublicēts no elementy.ru