Одноэлектронный холодильник

Электрический ток не всегда вызывает нагрев элементов цепи – уже давно существуют микроэлектронные устройства, например, элементы Пельтье, которые охлаждаются при пропускании тока. Эффект Пельтье и другие термоэлектрические эффекты возникают из-за того, что разные металлы по-разному «заполнены» электронами. «Перетекая» из одного металла в другой, электроны могут отбирать энергию у металла в зоне контакта, что приводит к его охлаждению. Новый виток этих исследований начался примерно десять лет назад вместе со стремительной миниатюризацией электроники. На основе многослойных микроустройств, представляющих собой различные комбинации из слоёв сверхпроводника, металла, полупроводника и изолятора, были сконструированы микрорефрижераторы, микротермометры криогенных температур, микрокалориметры (см. Rev.Mod.Phys., 2006, 78, 217, cond-mat/0508093). Однако до сих пор не был создан настоящий циклический микрохолодильник, т.е. работающий не на протекающем «насквозь» постоянном токе, а на периодическом движении зарядов вперёд-назад. (Преимущества такой конструкции легко понять, если представить, как был бы неудобен обычный бытовой холодильник с проточным хладагентом, поступающим в квартиру по трубам.)

Американские исследователи недавно описали принцип работ одноэлектронного холодильника (хотя более точно его следовало бы назвать двухэлектронным). Правда, в быту он вряд ли найдёт применение, потому что работать может при очень низких температурах – долях кельвина. Такое устройство можно получить, если изготовить трёхслойку сверхпроводник–изолятор–нормальный металл (s–i–n-переход) и подать на неё переменное напряжение.

Схема электронных перескоков на энергетической диаграмме (по вертикали отложена энергия электронов). В нормальном металле электроны проводимости непрерывно заполняют все возможные энергии вплоть до уровня Ферми E_F. В сверхпроводнике имеется энергетическая щель 2: область энергий, которую электроны иметь не могут. Поэтому из металла в сверхпроводник могут перескочить лишь достаточно «горячие» электроны, а обратно – только «холодные»

Вследствие того, что между сверхпроводником (левая сторона, см. схему) и маленьким островком нормального металла ( правая сторона) сформирован тонкий зазор из изолятора, электроны могут лишь туннелировать между сверхпроводящим и нормальным электродами поодиночке (это так называемый режим кулоновской блокады, а направление микроэлектроники, где он используется, известно как одноэлектроника). Частота переменного напряжения достаточно высока: десятки и сотни мегагерц, – поэтому в течение каждого периода лишь один-два электрона успевают перескочить из (нормального) металла в сверхпроводник и обратно. При этом из-за различия электронных свойств сверхпроводника и металла возникает интересная картина передачи энергии. В сверхпроводнике все электронные состояния с низкой энергией заняты (они отделены от зоны свободных электронов так называемой энергетической щелью), поэтому перескочить в него из металла может только электрон достаточно большой энергии. В течение полупериода, когда на сверхпроводник подаётся «плюс», перескочивший «горячий» электрон тут же уносится прочь от контакта, в глубь сверхпроводника. Ещё через полпериода под действием обратного напряжения из сверхпроводника в металл возвращается уже другой, более «холодный» электрон. В результате получается циклический процесс, сопровождающийся направленной теплопередачей: у металла отбираются «горячие» электроны, а возвращаются ему уже «холодные». Это приводит к охлаждению металлического островка.

Авторы провели подробные аналитические вычисления и численное моделирование динамики этого процесса и выяснили, что при определённых частоте напряжения и начальной температуре можно ожидать охлаждения в два-три раза. Столь скромный результат объясняется тем, что электронный газ (электроны проводимости в металле) существует не сам по себе, а в тесном контакте с кристаллической решёткой. В результате он не только охлаждается за счёт описанного механизма, но и постоянно подогревается из-за взаимодействия с более тёплой решёткой. Тем не менее авторы уверены, что, используя несколько s–i–n-переходов, можно добиться и более эффективного охлаждения.

Стоит добавить, что экспериментальная реализация этой идеи интересна и тем, что позволит изучить свойства вещества в необычных, не встречающихся в природе условиях. Селективное охлаждение только электронного газа позволяет получить вещество с двумя температурами: температура электронного газа в нём будет ниже, чем температура решётки. Было бы интересно проверить, как ведёт себя металл в такой ситуации.

Elementy.ru 25.01.07

Пули из медленного света

Оптика, один из старейших разделов физики, переживает в наши дни настоящее возрождение. Классики этой науки и представить не могли, что современная физика умудрится делать со световым лучом. Скорость света меняется при переходе из одной прозрачной среды в другую, но очень немного: максимум в 2,5 раза для природных материалов. Однако за последние годы физики научились изготавливать материалы со столь экзотическими оптическими свойствами, что им уже не составляет труда замедлить в них свет в триллионы раз, вообще остановить и «подержать» некоторое время световой импульс или, наоборот, заставить его распространяться с групповой скоростью, превышающей скорость света, правда, только внутри кюветы с активной средой. (Это, конечно, ни в коей мере не нарушает постулаты теории относительности, поскольку и энергия, и информация в этом случае всё равно передаются со скоростью меньше скорости света.) Появились среды, преломляющие свет наоборот, изготовлены суперлинзы, не «уважающие» дифракционный предел, публикуются работы, описывающие принцип создания даже плаща-невидимки. Воистину современная физика может осуществить практически любую «оптическую фантазию»!

Недавно A.A.Сухоруков и Ю.С.Кившар, (Phys.Rev.Lets, 97, 233901 (04Dec2006); physics/0605194) сделали ещё один вклад в эту «копилку чудес»: они предложили создать световые пули. Это теоретическая работа, но, по мнению авторов, экспериментальная реализация идеи вполне возможна уже при сегодняшних технологиях.

Авторы изучили распространение электромагнитной волны через сложную регулярную сеть связанных друг с другом микроскопических волноводов. Такие искусственные периодические среды называются метаматериалами. Они не только поддерживают проходящие сквозь них электромагнитные волны, но и при достаточно хитроумной конструкции могут придать им совершенно необычные свойства. Предложенная конкретная среда обладает свойством подавления дифракции. Это значит, что узкий луч света в такой среде будет распространяться, не «расплываясь». Другими словами, метасреда сама фокусирует проходящий через неё свет.

Второе важное свойство описанного метаматериала – его способность сдерживать также и продольное расплывание локализованного светового импульса. Задача эта нетривиальная. Дело в том, что скорость распространения света в метаматериалах в отличие от обычных прозрачных сред сильно зависит от частоты, из-за чего локализованный в продольном направлении световой сгусток быстро расплывается. Преодолеть расплывание удалось, подобрав метасреду со специальной встроенной нелинейностью. (Нелинейная среда не просто является «вместилищем» для волн, но и сама активно влияет на них, причём влияет по-разному на начало, центр и срез импульса.)

Наконец, принципиально важно, что контролировать продольное и поперечное расплывание световых сгустков можно независимо друг от друга. Более того, в дополнение ко всему этому можно без ущерба для локализации сгустка изменять его скорость вплоть до полной остановки!

Всё это вместе и позволило физикам найти такие решения уравнений, которые отвечают световым сгусткам, медленно перемещающимся сквозь среду практически без расплывания (см. фото). Эти сгустки авторы окрестили будоражащим воображение термином «медленные световые пули» (это – оптические солитоны в нелинейной метасреде).

Чтобы не сложилось ложного представления, подчеркнём, что слова «световой сгусток» вовсе не подразумевают какой-то светящийся во все стороны объект. Свет внутри световой пули распространяется только вперёд, и потому при взгляде сбоку её не заметишь. «Увидит» световую пулю только мишень, для которой она и предназначается.

Надо отметить, что световые пули выгодно отличаются от обычных движущихся сгустков вещества своей безынерционностью. Ничего не стоит, например, управлять траекторией такой пули, плавно изменяя свойства среды, или резко преломить её при переходе из одной среды в другую. Авторы надеются, что предложенная ими идея будет вскоре реализована в эксперименте, а затем найдёт применение в оптических устройствах самого разного профиля: от оптических компьютеров, в которых свет переносит информацию, до физических приборов, в которых сгустки света используются как средство воздействия на исследуемый объект.

Elementy.ru 29.12.06

Богатый звук скрипок Страдивари

Долгие годы поклонники скрипичной музыки спорили, почему инструменты, сделанные самим Страдивари и его современником Гварнери, звучат столь прекрасно. Специалисты тщательно изучали их геометрию и акустику, однако новое исследование показало, что своим великолепным звучанием эти инструменты обязаны определённой химической обработке. Более 20 лет Дж.Нагивари (США), занимающийся исследованием скрипок, собирал маленькие кусочки дерева с внутренних частей инструментов Страдивари и Гварнери, которые сдавали в ремонт или на реставрацию. Спектрометрический анализ показал, чем именно эти скрипки отличаются от антикварных французских и английских инструментов, а также и от современных. Дерево в скрипках Страдивари обработано химическими веществами, которые окисляют и гидролизуют его. Ранее высказывалось предположение, что мастер обрабатывал свои инструменты силикатом калия (жидким стеклом). Но исследователи не обнаружили никаких следов этого соединения, и до сих пор неизвестно, какие окисляющие и гидролизирующие агенты были использованы. Ясно одно: проведённая обработка помогала сохранять дерево и улучшать качество звучания. Пропитка способствовала улучшению звучания скрипки на низких тонах. Придавала скрипкам характерные тона и лакировка. Подобные тонкости изготовления скрипок вполне реальны и теперь. Оказывается, чтобы придать скрипкам божественные голоса, нужно немного углубиться в материаловедение.

Sciam.ru 05.12.2006

Подборка Л.В.ПИГАЛИЦЫНА,
МОУ СОШ № 2, г. Дзержинск,
Нижегородская обл.

levp@rambler.ru, www.levpi.narod.ru.