Журнал "Компьютерра" №713 - Компьютерра

В новом излучателе используется нестационарный эффект Джозефсона. Он возникает в контакте Джозефсона - тонком слое диэлектрика между двумя слоями сверхпроводника, если туннельный ток через контакт превысит некоторое критическое значение. В этом случае сверхпроводящие куперовские пары электронов, перескакивая через слой диэлектрика, вынуждены излучать набранную при этом энергию в виде электромагнитных волн. Обычный контакт Джозефсона излучает слабо и слишком длинные волны. Но в слоистом высокотемпературном сверхпроводнике Bi2Sr2CaCu2O8 между сверхпроводящими слоями оксида меди толщиной всего в пару атомов находятся слои изолятора оксида висмута и стронция толщиной в полтора нанометра, образующие контакты Джозефсона с подходящими свойствами. Чтобы заставить контакты излучать согласованно, ученые изготовили полоску сверхпроводника высотой один микрон, шириной сто и длиной триста микрон, в которой набралось порядка тысячи контактов и которая играет для терагерцовых волн роль резонатора, как пара зеркал в простейшем лазере. Правильно подобрав величину падения напряжения на полоске, можно возбудить резонансную генерацию, заставив все контакты Джозефсона излучать согласованно.

Таким способом удалось получить пучок непрерывного излучения мощностью 0,5 микроватта на частоте 0,85 терагерца. А уменьшив ширину полоски до 40 микрон, частоту излучения снизили до 0,4 терагерца. Генерация сохранялась вплоть до 50 градусов выше абсолютного нуля. Согласно оценкам, увеличивая резонатор, можно будет получать луч мощностью до 1–10 милливатт, а этого уже вполне достаточно для практических приложений. Вполне вероятно, что использование других слоистых сверхпроводников позволит еще больше расширить рабочий диапазон и увеличить мощность. По-видимому, такой сравнительно простой и компактный источник, охлаждение которого хорошо отработано, не вызовет больших проблем и быстро найдет дорогу в научные лаборатории, больницы и аэропорты. ГА

Все дело в дефектах

Первые итоги амбициозного проекта NewTon подводят участники мощной европейской кооперации, призванной отработать технологию трехмерных фотонных кристаллов - нового ключевого компонента оптических и электронно-оптических маршрутизаторов телекоммуникационных сетей.

Проект, который должен завершиться в будущем году, координируется из Ганноверского лазерного центра, наполовину финансируется Европейским сообществом и объединяет таких игроков, как крупнейшая химическая корпорация BASF, Датский технический университет и ряд других фирм и научно-исследовательских центров. Новые фотонные кристаллы должны будут по возможности заменить электронные компоненты сегодняшних маршрутизаторов на оптические. Именно электроника и необходимость преобразовывать сигналы из оптической формы в электронную препятствуют повышению пропускной способности крупных оптических линий связи.

Из фотонных кристаллов предполагается изготавливать оптические волноводы, фильтры, переключатели и другие необходимые компоненты. Разумеется, выполнять сразу все эти функции не под силу никакому фотонному кристаллу, несмотря на их огромное разнообразие и удивительные способности пропускать или отражать свет только определенных длин волн. Поэтому отрабатывается технология внесения в кристалл определенных дефектов, вдоль которых, например, сможет распространяться свет только с определенной частотой. Дефекты обычно выжигаются лазером после изготовления регулярного фотонного кристалла из коллоида пластиковых шариков строго одинаковых размеров диаметром от двухсот до тысячи нанометров. По мере надобности к шарикам могут добавляться структуры размером до двадцати нанометров, пространство между шариками - заполняться кремнием, а сами шарики, если нужно, потом выжигаться.

Такие фотонные кристаллы должны быть меньше, быстрее и дешевле обычных электронных компонентов. Кроме того, они надежнее и лучше противостоят электромагнитным наводкам. Пока проект развивается успешно, но основных результатов и ясного понимания дальнейших перспектив следует ожидать не раньше конца будущего года. ГА

Нанокомпьютеры по-китайски

Любопытную статью опубликовали в журнале Nano-technology теоретики из Института полупроводников Китайской Академии наук. В ней описывается новый класс универсальных логических вентилей, использующих эффект квантования тока в наноустройствах. Эта логика имеет весьма компактную структуру и обещает стать серьезным конкурентом CMOS-технологии.

В полевом транзисторе ток непрерывно и нелинейно зависит от напряжения на затворе, поэтому в CMOS-логике современных чипов используют только два логических состояния - открыт и закрыт. Но во многих уже созданных наноустройствах из-за малых размеров начинают проявляться квантовые эффекты, и ток становится ступенчатой функцией напряжения с четко выраженным дискретным набором возможных значений.

Таким свойством обладают, например, электронные волноводы, чьи размеры сравнимы с длиной волны электрона. Электроны движутся в них как волны, без рассеяния в дискретном наборе возможных мод. Такие волноводы реализуются по-разному, а, например, волновод из баллистической углеродной нанотрубки работает и при высоких температурах. Атомные переключатели и другие устройства, использующие эффект кулоновской блокады, также способны за один шаг пропускать лишь несколько электронов, число которых можно регулировать напряжением. И ученые попытались использовать естественное квантование тока, чтобы сделать сложный логический вентиль, для реализации которого в CMOS-логике требуется много транзисторов.

Для этого потребовался формализм так называемых многопороговых логических вентилей с периодическими порогами (PPTG). У такого вентиля несколько логических входов и один логический выход. Выход периодически принимает значение 0 либо 1 в зависимости от того, какой из заданных упорядоченных порогов превысит взвешенная сумма логических входов. Оказывается, такой PPTG-вентиль можно реализовать, если изготовить нечто похожее на полевой транзистор, имеющий несколько входов с емкостной связью и плавающий затвор, у которого вместо обычного канала используется электронный волновод.

Ученым удалось показать, что одного PPTG-вентиля достаточно для реализации всех Булевых функций с тремя входами и большинства функций с четырьмя входами. А если добавить второй вентиль, становятся доступны все 65 536 функций с четырьмя входами. В результате логические блоки компьютера, выполненного по PPTG-технологии, станут гораздо компактнее. Например, для реализации вентилей с тремя входами по CMOS-технологии требуется около сорока транзисторов и всего лишь десять эквивалентных по сложности устройств при использовании квантованных токов и PPTG-технологии.

Пока трудно сказать, будет ли работать предложенный метод или какой-то другой, ведь от теоретических построений до практической реализации путь долгий. Но эта работа ясно показывает, что в компьютерах новых поколений можно значительно повысить вычислительную мощь не только за счет экстенсивного развития. ГА

Футбол и транзистор

Исследователям из Технологического института Джорджии впервые удалось изготовить быстрый полевой транзистор из тонкой пленки фуллеренов - огромных молекул углерода С60, которые очень похожи на футбольные мячи. Процесс изготовления транзисторов идет при комнатной температуре и обещает стать важной вехой на пути к широкому использованию больших и дешевых электронных схем на гибких пластиковых подложках.

В новом транзисторе подвижность электронов заметно больше, чем в аморфном кремнии, применяемом в тонкопленочных транзисторах современных дисплеев, не говоря уже об органических полупроводниках для гибкой электроники. А именно подвижность электронов в канале транзистора во многом определяет скорость переключения, нагрев при работе и другие его характеристики. Кроме того, новому транзистору для переключения достаточно небольшого напряжения на затворе, у него малый ток в закрытом состоянии и весьма высокая стабильность. Но есть и один недостаток: фуллерен С60 взаимодействует с кислородом воздуха, так что пленка должна быть загерметизирована. Впрочем, упаковка - не проблема. И авторы надеются получить транзисторы из других фуллеренов с иным количеством атомов углерода, которые уже не боятся окисления.

Пленку из фуллерена получают методом осаждения паров при комнатной температуре. А это значит, что в качестве подложки для электронной схемы можно использовать почти любой дешевый пластик, большинство из которых не переносят нагрева выше 150 градусов. Пленки из фуллеренов получали и раньше, но процесс шел при 250 градусах. Пары осаждают на уже подготовленный и покрытый слоем изолятора затвор, а затем электроды истока и стока наносят на фуллереновую пленку сверху сквозь теневую маску. Разумеется, новый транзистор не может конкурировать с транзисторами на кристаллическом кремнии, изготовленными по CMOS-технологии. Но от гибких электронных схем и схем большой площади этого никто и не требует.