Наверное, многие помнят со школы, что в физике существуют основные единицы, такие как килограмм, метр, секунда и т.д. Имея их эталоны, можно вывести все остальное. Для некоторых физических величин ученые смогли создать квантовые эталоны и воспроизводить их с феноменальной точностью. Например, современные атомные часы способны выдавать секунду с погрешностью одна стотысячная от одной миллиардной. Но не со всеми эталонами ученым и метрологам так “повезло”. Скажем, точность эталона основной в системе СИ и очень важной для практики единицы силы тока ампер почти в десять миллионов раз ниже, чем у секунды. В век нанотехнологий подобная точность выглядит безнадежно устаревшей. Однако в ближайшее время все может измениться. В рамках Федеральной целевой программы “Научные и научно-педагогические кадры инновационной России” группой ученых ФИАН под руководством члена-корреспондента РАН Петра Арсеева проводятся исследования по разработке новых физических принципов создания научных приборов нового поколения, в том числе и по созданию прибора, способного воспроизводить ампер с высокой точностью.
— В рамках ФЦП “Кадры” мы решаем несколько научных задач, — поясняет один из руководителей проекта, заведующий отделом ФИАН, доктор физико-математических наук Владимир Пудалов. — Во-первых, создаем новые сверхпроводниковые материалы и исследуем их свойства, во-вторых, разрабатываем физические принципы создания новых приборов. Есть такая важная область метрологии, как воспроизведение единиц электрических величин. И если в создании высокоточных эталонов вольта и ома уже достигнуты радикальные успехи за счет практического использования двух открытий (удостоенных Нобелевских премий 1973 и 1985 годов сооответственно), то воспроизведение ампера остается пока еще, так сказать, “на гужевой тяге” и имеет значительно большую погрешность. А ведь основной единицей электрических величин в системе СИ является именно ампер, в то время как вольт и ом — вторичные единицы.
Что делать? Вспомним, что ток равен заряду, переносимому в единицу времени. Естественной единицей заряда является электрон. Если мы сможем за одну секунду перенести нужное количество электронов с одного места на другое, то в результате получим ампер. Проблема здесь в том, что заряд электрона слишком мал и, следовательно, устройство по его переносу должно работать со столь высокой частотой, что она попадает в рентгеновский диапазон. А такую частоту очень трудно контролировать, да и рентгеновское излучение повредит работе наноэлекронных устройств.
Для решения этой проблемы исследователи ФИАН в сотрудничестве с японскими и финскими коллегами создают из тонкой пленки сверхпроводящего алюминия маленький островок размерами менее 100 нанометров. Если теперь на него поместить один электрон, то получится своеобразный “искусственный” атом, энергия которого очень сильно зависит от того, находится ли в нем электрон, или островок пуст. Чтобы контролировать вход и выход электрона с этого островка, он огорожен двумя туннельными барьерами. Каждый барьер сделан из очень тонкого изолятора. И электрон (как волна) может пройти через него только в том случае, если мы подаем управляющий импульс напряжения. По сути, это одноэлектронный нанотранзистор. Уже удалось создать десяток одинаковых одноэлектронных транзисторов и соединить их параллельно, в результате этого получен ток 0,1 наноампера. Сейчас идет работа над тем, чтобы создать около сотни таких транзисторов, способных работать параллельно. Подавая на них управляющий импульс с частотой 60 мегагерц, мы сможем получить ток величиной около 1 наноампера и надеемся сделать это с относительной точностью один к ста миллионам. Генерируемый таким устройством ток не будет подвержен “дрейфу” — изменению во времени, поскольку заряд электрона постоянен, а частота импульсов контролируется с большой точностью. Ожидается, что у такого устройства она будет на порядок выше, чем у эталонов тока электромеханического типа. Генерируемый эталонный ток в 1 наноампер, на первый взгдяд, кажется малым, однако метрологи умеют работать с такими токами, применяя сверхпроводящие компараторы тока, построенные опять же на основе результатов, за которые была присуждена Нобелевская премия 1973 года.
Другое направление связано с практическим использованием одноэлектронного транзистора. Для этого он изготавливается на специальной гибкой подложке, чем-то напоминающей обычный камертон, только очень маленьких размеров. Его длина полмикрона, толщина — 30 нанометров, ширина — 90 нанометров, а резонансная частота — около 1 гигагерца. Вы спросите: зачем это нужно? Все дело в том, что, когда эта миниатюрная нанопалочка — камертон — прогибается, свойства находящегося на ней транзистора сильно изменяются. В итоге у нас получается прибор, очень чувствительный к различным механическим колебаниям.
Например, мы можем взять крупную молекулу, скажем, фуллерена или какого-нибудь интересного белка, и, используя различные биофизические приемы, посадить ее на наш камертон. В результате утяжеления изменится частота колебаний камертона, транзистор это изменение зарегистрирует, и мы определим массу молекулы. Другие интересные направления связаны с использованием нанотранзистора в качестве ячейки квантового компьютера и энергии механических колебаний камертона в работе такой ячейки.
— Чем грант этой ФЦП отличается от других?
— Мы очень много времени тратим на подготовку молодых сотрудников: обучение, разработка курсов и чтение лекций, лабораторные занятия. Молодых людей мы отбираем в Физтехе, и они, придя в ФИАН студентами, потом становятся аспирантами, защищают диссертации. Ни для кого не секрет, что аспирантская стипендия настолько мала, что на нее нельзя прожить, не говоря уже об аренде какого-нибудь жилья. А ведь большинство выпускников Физтеха не москвичи. Грант ФЦП “Кадры” позволяет нашей молодежи удержаться на плаву, работать на уникальных установках и помогает, подключившись к решению серьезных научных задач, раскрыть свои способности.
Василий Янчилин
Нет комментариев