Физика твердого тела и её роль в науке и практике

Нынешние поколения воображают, что ИИ - искусственный интеллект появился вот совсем недавно... Что компьютерные технологии, в том числе и оптоволоконные линии связи - это изобретение нынешнего века... Ошибаетесь, господа, это изучали и добивались больших успехов многие десятилетия назад, и Советский Союз, который вы убогие презрительно именуете "Совком", был в числе лидеров...

Александр Михайлович Прохоров родился в 1916 г. в г. Атортоне (Австралия) в семье рабочего-революционера, бежавшего в 1911 г. в Австралию из сибирской ссылки. В 1923 г. семья Прохорова возвращается на Родину. Научная деятельность А. Прохорова началась в 1939 г., когда по окончании физического факультета Ленинградского университета он поступил в аспирантуру Физического института им. П. Н. Лебедева. Ныне А. Прохоров — один из крупнейших советских физиков, действительный член АН СССР, член Президиума Академии наук, академик-секретарь Отделения общей физики и астрономии, лауреат Ленинской и Нобелевской премий, Герой Социалистического Труда. Имя ученого неразрывно связано с рождением, становлением и развитием квантовой электроники.

Корреспондент. Одной из объективных закономерностей развития естествознания является постоянное выдвижение вперед в качестве ведущих тех или иных его областей, существенным образом влияющих как на другие ветви знаний, так и на развитие самого естествознания в целом.

Как известно, первым лидером возникшего в XVII веке в качестве самостоятельной науки естествознания была механика. С начала XIX века, развивая ее успехи, вперед вырвались химия и биология. «Новейшая революция» в естествознании конца XIX — начала XX века, перешагнув порог микромира, сделала очередным лидером физику. В свою очередь, уже на протяжении нашего столетия подобная смена лидерства наблюдалась и внутри самой физики.

Какую область физики, можно, на Ваш взгляд, считать лидером сегодняшнего дня?

А. ПРОХОРОВ. Пожалуй, сегодня это физика твердого тела. Научно-технический прогресс базируется на достижениях современной науки. Но если в наши дни промышленность не может успешно развиваться без науки, то и наука не в меньшей степени зависит от промышленности. Можно без преувеличения сказать, что темп научно-технического прогресса во многом зависит от уровня промышленного приборостроения и выпуска новых материалов, а этот уровень, в свою очередь, определяется прогрессом физики твердого тела. Следовательно в современной технике она играет первостепенную роль, являясь фундаментом всего развития.

Еще сравнительно недавно квантовая теория физики твердого тела была вотчиной лишь физиков-теоретиков. Сейчас положение коренным образом изменилось, поскольку квантовые свойства твердого тела широко используются, например, при создании электронных приборов, играющих существенную роль во многих отраслях техники. Прежде всего это относится к электронно-вычислительным машинам.

Корреспондент. Говоря о влиянии физики твердого тела на развитие ЭВМ, мы, несомненно, вспоминаем ту революцию, которую совершил переход от ламп к твердотельным электронным приборам — транзисторам, а затем в машинах третьего и четвертого поколений — к интегральным микросхемам. Что нового предлагают сейчас «твердотельщики» для вычислительной техники?

А. ПРОХОРОВ. Новую элементную базу. Именно она определяет не только смену поколений вычислительных машин, но и их коренное отличие от человеческого мозга. Оно начинается с самой основы, с самого фундамента, а именно с их элементной базы, следовательно, с принципов построения логических операций, механизмов памяти, методов распознавания образов. Здесь-то и кроется главное отличие искусственного интеллекта от живого.

Корреспондент. Не означает ли это, что элементная база будущих ЭВМ будет как бы приближена к живым системам?

А. ПРОХОРОВ. Это не совсем так. Попытки использовать некоторые принципы, заложенные в живой материи, для построения ЭВМ действительно проводятся. Бурное развитие как техники, так и бионики породило вопросы существования творческой потенции автоматов, даже возможности наличия у них совести, морали и т. п. Не вдаваясь в детальное рассмотрение этих проблем, замечу лишь, что пока эти исследования не дали ощутимых практических результатов. И поэтому развитие ЭВМ идет своим путем, и на ближайшее будущее эта тенденция сохранится.

Корреспондент. Какие же реальные цели ставят перед собой физики и инженеры, создающие новые твердотельные элементы?

А. ПРОХОРОВ. В самой общей формулировке это решение традиционных проблем — повышение быстродействия и расширение памяти.

За счет чего можно увеличить быстродействие? Для этого необходимо, чтобы наряду с повышением быстродействия самих логических элементов передача сигналов от одного элемента к другому занимала бы меньше времени. Это время зависит только от расстояния между элементами. Чтобы его сократить, нужно увеличить степень интеграции логических схем. Но увеличение уровня интеграции влечет за собой повышение выделения тепла элементами при работе, что приводит к преждевременному выходу их из строя. Следовательно, необходимо создавать логические элементы, потребляющие мало энергии и, кроме того, выдерживающие сравнительно тяжелый режим работы. На такой основе можно будет сооружать мощные интегральные схемы, надежно функционирующие при обычной температуре.

Корреспондент. Несколько слов о машинной памяти. Ее стоимость в современных ЭВМ составляет 60—80%. Чем мощнее память, тем эффективнее может использоваться вычислительная техника, бурно проникающая во все отрасли науки и хозяйства. Например, сейчас ЭВМ все чаще принимают на себя новые функции «технолога». Проблемы стоимости и доступности приобретают особую остроту. И разработка новых запоминающих устройств играет здесь, очевидно, не последнюю роль?

А. ПРОХОРОВ. Действительно, их роль велика. Память должна быть быстродействующей и обладать большой емкостью. В одном устройстве этого достигнуть пока не удалось. Поэтому создана иерархия запоминающих устройств: от быстродействующей малой емкости до медленной большой емкости. В настоящее время память в основном базируется на магнитных свойствах твердых тел. Только для быстродействующих устройств используются полупроводниковые интегральные схемы. Эта иерархия в запоминающих устройствах усложняет ЭВМ.

Над созданием быстродействующей памяти работает огромное число физиков во всем мире. Остановлюсь только на трех типах памяти, которые мне кажутся перспективными: оптической — с использованием голографии, магнитной — на цилиндрических магнитных доменах и полупроводниковой.

В создании голографических запоминающих устройств одна нерешенная проблема — среда, в которой ведется запись и считывание голограмм. Среда должна допускать многократную перезапись, быть надежной, потреблять мало энергии и т. д. Если иметь среду с нужными характеристиками, голографические запоминающие устройства уже сейчас нашли бы самое широкое применение в ЭВМ. В этих целях изучаются различные фотохромные, фотопластичные и термопластичные материалы, магнитные пленки и сегнетоэлектрики.

Настоящий переворот в электронной технике могут произвести цилиндрические магнитные домены. Они требуют на один бит информации рекордно малой энергии — 10¹³ Дж. Память на магнитных доменах можно, к примеру, использовать в телефонных аппаратах, в вычислительных мини-машинах, в устройствах ассоциативной памяти и аналоговых запоминающих устройствах. Благодаря большой стойкости к радиации они найдут применение в электронной аппаратуре космических кораблей.

Продолжается интенсивная разработка полупроводниковых запоминающих устройств различных типов. Среди них очень перспективна память с зарядовой связью. В таких устройствах носителем информации служат небольшие по радиусу области объемного заряда, которые передвигаются под действием магнитного поля. Исследования в этом направлении, начавшиеся сравнительно недавно, окажут влияние на развитие не только вычислительной техники, но и радиоэлектроники в целом.

Кроме названных направлений, хочу также отметить возможность создания памяти ЭВМ на основе сравнительно недавно открытого фотоферромагнитного эффекта и так называемого эффекта Джозефсона.

Корреспондент. Очевидно, физические принципы, лежащие в основе новой элементной базы, потребуют нового подхода от инженеров, конструирующих и исследующих конкретные устройства?

А. ПРОХОРОВ. Несомненно. Даже переход от интегральных к большим интегральным схемам (БИСам) привел к тому, что инженерам-электронщикам пришлось стать по совместительству систематехниками и взять на себя подготовку части математического аппарата. Ведь на одной подложке-кристалле БИС умещается весь процессор ЭВМ. Ясно, что появление элементов, основанных на принципиально отличных физических принципах, потребует от инженеров гораздо большей перестройки. Революция элементов приведет к революции творческого мышления.

Придется потрудиться и технологам. Коренным образом пересмотреть понятие о культуре производственного процесса. Ведь им придется иметь дело с совершенно новыми понятиями химической и физической чистоты. Несколько атомов примеси на 10 миллионов атомов основного вещества или, например, пылинка размером меньше микрона способны испортить обрабатываемый предмет. Температура в диффузионных печах должна поддерживаться на уровне 1200°С с точностью до 0,5°, а толщина полупроводниковой пленки может быть меньше длины световой волны... Таков новый мир технологических представлений, рожденных физикой твердого тела. Поэтому человек, занятый их применением, должен сочетать в себе качества физика, инженера и технолога. Только такой подход способен обеспечить высокое качество разрабатываемых изделий.

Корреспондент. Одной из наиболее интересных задач в области исследования твердого тела является получение новых материалов с комплексом необходимых свойств. Многие из них уже хорошо известны. Например, фианиты — новые искусственные кристаллы, созданные в Физическом институте им. П. Н. Лебедева АН СССР. Какие еще новые материалы готовят физики-твердотельщики для техники?

А. ПРОХОРОВ. Интересные работы в этом направлении ведутся в Институте физики твердого тела АН СССР, где разрабатываются новые, так называемые композитные материалы. Подобно железобетону, они состоят из прочного волокна и пластичной матрицы. Примером их могут служить никель-вольфрамовые и боро-алюминиевые структуры. В них упрочняющей составляющей являются нити вольфрама и бора, а основой — соответственно никель и алюминий. Они имеют удельный вес алюминия, а прочность самых лучших сталей.

Заслугой физиков является еще и то, что они сумели по-новому взглянуть на многие «старые» материалы, и прежде всего металлы. В основе перехода от радиоламп к твердотельной электронике, о котором мы уже говорили, лежал тот факт, что в единице объема кристаллического полупроводника носителей тока во много миллионов раз больше, чем в лампе. Но в единице объема металла электронов еще в миллионы раз больше. Поэтому ясно, какой перспективой обладают приборы, созданные из кусочка чистого металла! Я подчеркиваю «чистого», ибо только отсутствие примесей позволяет эффективно управлять поведением электронов в металле.

Уже сейчас нашими физиками получены металлы с мировым рекордом чистоты, такие, как индий, серебро, никель, сурьма. Одним словом, не за горами революция металлической электроники.

Очень важным для решения многих технических задач явилось получение высокочистых сверхпроводящих кристаллов ванадия с кремнием, не теряющих свойств сверхпроводника в сильном магнитном поле.

Корреспондент. Вслед за получением материалов, естественно, встают вопросы их обработки, технологии. Очевидно и здесь физикам есть что предложить инженерам?

А. ПРОХОРОВ. Конечно, предложений много. Остановлюсь на одном: использовании высоких давлений для придания материалам новых, необычных в нормальных условиях свойств. Прежде всего о самом понятии «высокое давление». Наибольшую известную человеку плотность, равную сотням миллионов тонн в одном кубическом сантиметре, имеет вещество нейтронных звезд. Трудно сказать, смогут ли физики когда-либо осуществить такое уплотнение вещества в лабораторных условиях. Сейчас плотность вещества повышают путем высоких давлений. Для этих целей, например, в Институте высоких давлений АН СССР создан гигантский пресс, развивающий давление в миллион атмосфер. Это уникальное инженерное сооружение, не имеющее себе равных в мире. Уже сейчас благодаря подобным исследованиям наша промышленность получила дешевые искусственные поликристаллические алмазы и кубический нитрид бора.

Перспективные работы на новом прессе ведутся и в направлении получения металлического водорода. Расчеты показывают, что водород, который является твердым лишь при сверхнизких температурах с плотностью 0,1 г/см³, под давлением в несколько миллионов атмосфер перейдет в металлический твердый водород с плотностью 10 г/см³ и, возможно, будет обладать сверхпроводимостью.

Однако и более низкие давления эффективно служат технике. Например, всестороннее сжатие при давлении свыше 10 тыс. атм существенно повышает пластичность веществ, что представляет большой практический интерес. Дело в том, что многие материалы из-за хрупкости не годятся для применения в современной технике. Отсюда идея создания новой прогрессивной технологии с использованием больших давлений для получения материалов, обладающих улучшенными свойствами. Эта проблема была решена благодаря творческому содружеству физиков, технологов и конструкторов. Новая технология, получившая название гидроэкструзии, не только позволяет придавать материалам нужную форму, но и, изменяя их внутреннюю структуру, существенно повышает их прочность, ударную вязкость, пластичность, стойкость к коррозии, магнитные свойства и др.

Корреспондент. Сделаем следующий шаг в нашем обзоре — от получения материалов и технологии к уже готовым изделиям. Какие новые устройства и приборы уже созданы и их освоение предстоит инженерам буквально завтра?

А. ПРОХОРОВ. Приведу лишь два примера. Первый касается успехов волоконной оптики. Еще совсем недавно затухание в световодах имело порядок 3 дБ/м, т. е. световая волна затухала в них в 1,5—2 раза на одном метре. Теперь положение коренным образом изменилось. В недавно созданных учеными ФИАНа и Института химии АН СССР стеклянных волноводных световодах затухание в 2 раза происходит уже на длине в 1 км! Так что инженерам предстоит создание лазерных линий связи с использованием таких световодов со сверхмалыми потерями. Эти линии будут практически независимы от атмосферных и электрических помех.

Другой пример: рождение принципиально новых устройств на основе достижений акустоэлектроники. Эта область физики изучает взаимодействие акустических колебаний очень высокой (до десятков миллионов герц) частоты с твердым телом. Некоторые акусто-электрические приборы уже созданы, для некоторых изучаются принципиальные возможности их создания. Какие же это приборы? Это всевозможные фильтры, линии задержки сигналов, устройства кодирования и декодирования, усилители и различные элементы систем обработки информации. Все они малогабаритны и дешевы.

Электрический сигнал, поступающий на вход таких устройств, преобразуется в акустическую (чаще всего поверхностную) волну, и все дальнейшие операции с сигналом: усиление, фильтрация, преобразование — уже осуществляются в акустической форме.

В скором времени акустоэлектронные фильтры найдут широкое применение в телевизионных приемниках. Один фильтр, умещающийся в корпусе интегральной схемы, позволяет отделять один телевизионный канал от другого и от видеоканала и заменяет, в общем, очень большой дорогостоящий блок в телевизионном приемнике.

Работы по созданию таких устройств ведутся в Институте радиотехники и электроники АН СССР.

Корреспондент. Итак, мы проследили путь, который проходит новая техника от рождения исходных материалов до создания на их основе сложных систем, и на каждом этапе убеждались в необходимости тесного сотрудничества физиков-ученых и инженеров, в необходимости их эффективного взаимодействия.

А. ПРОХОРОВ. Да, такое сотрудничество — необходимый залог успеха. По существу, любой современный физический эксперимент немыслим без сложнейшей аппаратуры, приборов и инструментов от различимых лишь под микроскопом до гигантских сооружений. И роль инженеров, научно-технических обществ в решении проблем, стоящих перед физикой, огромна. Ведь нередко прогресс в той или иной области физики тормозится отсутствием необходимого оборудования или технологии, разработка которой своими силами занимает у физиков порой долгие годы.

И наконец, другой аспект: создание новых приборов на основе достижений физики. Здесь ученые-физики всегда готовы продолжить плодотворный союз с инженерами с целью создания на основе принципиально новых физических идей принципиально новой техники будущего.

Поднять роль Академии наук СССР как центра теоретических исследований, координатора всей научной работы в стране.

Из Основных направлений развития народного хозяйства СССР на 1976-1980 годы

Интервью взял С. Кузьмин, наш спец. корр.
«Наука и Техника» №8 1976 год

***