«Квантовые ямы» и «атомная фабрика»

Начну с цитаты (С.Лопатников, статья «Атомная фабрика» в газете «Русский курьер» № 62 (510), от 11 июля 2005 г.): «Мир вступает в новое время. Роль метрополий прошлого займут страны, способные создавать новые технологии, а роль колоний – все остальные, те, на чьей территории эти технологии будут только использоваться. Какое место займёт Россия в этом постнеоколониальном мире, решается здесь и сейчас. Времени у нас практически не осталось. Выбора тоже: либо мы остаёмся в списке стран, способных на создание новых технологий, в первую очередь нано- и биотехнологий, – а условия для этого пока ещё сохраняются, – либо мы должны окончательно смириться с ролью сырьевой колонии, способной только использовать уже готовые новинки хай-тека». Какая альтернатива будет реализована, зависит, в частности, и от того, насколько российская молодёжь сама будет понимать общие контуры и тенденции происходящей сейчас, на наших глазах, технологической революции.

Сложилось так, что для многих ребят школьного возраста одним из основных источников информации по сложным вопросам, в том числе техническим, является школьный учитель. Чтобы быть авторитетом, учитель сам должен (хотя бы в общих чертах) разбираться в основах современной технологии. Речь идёт не только об учителях-предметниках – физиках, химиках, биологах, – они учились в педагогических институтах и университетах, где преподаются основы современных технологий. Ведь для детей в возрасте 6–10 лет именно учитель начальной школы (обычно учительница) – несомненный, непререкаемый авторитет.

Далее, ребята из неполных и так называемых «сложных» семей, нередко чаще и больше общаются с социальным педагогом в школе, чем с любым другим учителем. А т.к. успеваемость этих детей в большинстве случаев лежит в диапазоне «1»–«2» (по 5-балльной шкале), то и их взаимоотношения с учителями-предметниками оставляют желать лучшего. Вот и приходится социальному педагогу отвечать на все вопросы этих детей.

В нашем колледже как раз и готовят будущих учителей младших классов и социальных педагогов для Москвы и Московской области. Чтобы эти 16–17-летние девушки (юношей у нас мало), став учителями, смогли, пусть примерно, ориентироваться в современном мире, они должны понимать элементарные основы современной технологии.

К сожалению, многие учащиеся приходят после 9-го класса в наш колледж вовсе не потому, что они хотят стать учителями, а для того, чтобы «спрятаться» в колледже гуманитарного профиля от «непонятных» физики, химии, математики. Основной целью при этом является диплом о среднем специальном образовании. Во множестве офисов положение «Без бумажки – ты букашка, а с бумажкой – человек» работает, особенно по отношению к девушкам, до сих пор.

Молодёжь, особенно в крупных городах, волей-неволей включена в интенсивный поток информации. Это и постоянно появляющиеся на рынке новые электронные изделия, и частые упоминания о технологических новинках в ТВ-передачах. К сожалению, на поверхности этого интенсивного потока информации нередки мошеннические акции, паразитирующие на невежестве. (Чего, например, стоит объявление типа «Ясновидящая Ксения на основе современной науки (?!) вернёт мужа в семью, отвратит его от любовницы»?) С какой бы целью ни приходили учащиеся в наш колледж, необходимо, чтобы они понимали, что «ясновидящая Ксения» не имеет никакого отношения к современной науке, а просто-напросто обманщица.

Лет через 20 сегодняшние тинейджеры будут основной активной частью нашего общества. Фактически именно они будут определять направление развития страны – через выборы, – даже если сами не окажутся в органах власти. Необходимо, чтобы с юности они понимали: без развития науки невозможно развитие страны. И в первую очередь это должны понимать учителя, наставники детей.

Именно эту задачу в меру собственных сил и возможностей я стараюсь решать на уроках физики (см., например, мою статью «Нанотехнология» в «Физике» № 21/2003). В предлагаемой статье я хочу рассказать о том, как на уроке знакомлю своих студентов с понятиями «гетероструктура», «квантовая яма», «атомная фабрика». В последние годы эти термины мелькают в неспециализированной прессе (при этом почти всегда упоминается, что на развитие соответствующих направлений выделяются десятки и сотни миллиардов долларов).

Урок я начинаю с упоминания идеи одного из великих физиков ХХ в., лауреата Нобелевской премии Ричарда Фейнмана: законы физики не запрещают собирать всё, что угодно, атом за атомом. Вопросов в этом случае два: зачем это надо? как это можно реализовать?

Сначала я вместе с учащимися пытаюсь найти ответ на первый вопрос. Начинаю со вполне очевидного утверждения: во всех существующих на свете механизмах, машинах и приборах обязательно используются твёрдые тела (металлы – это тоже кристаллические тела, точнее, поликристаллические; учащиеся знакомятся с этими понятиями в курсе физики 10-го класса, что соответствует 1-му курсу колледжа). Без твёрдых тел ни один прибор невозможен. Не существует ни одного технического устройства без твёрдотельной компоненты (вещества). При этом количество различных природных твёрдых тел довольно ограничено: может быть, несколько тысяч наименований. Естественно, функционирование приборов и механизмов обеспечивается оптическими, механическими, электрическими и (или) тепловыми свойствами использованных веществ.

В подавляющем большинстве случаев, свойства твёрдого тела НЕ ЗАВИСЯТ ОТ ЕГО ФОРМЫ (удельная теплоёмкость, удельное электрическое сопротивление проводника, плотность). Например, зная размеры тела, мы можем найти его объём и, найдя в справочнике удельную теплоёмкость, найти теплоёмкость тела в целом.

В конце 11-го класса (2-й курс колледжа) учащиеся сталкиваются с термином «квантовая механика» и получают представление о квантовых постулатах Бора (см. § 73–74 «Физики-11» Г.Я.Мякишева, Б.Б.Буховцева). Согласно этим постулатам, в атоме водорода энергия принимает только вполне определённый ряд значений.

Основное отличие квантовой механики от классической в том, что изолированный атом (молекула) может обмениваться с внешней средой (проявляя свои физические свойства) только вполне определёнными энергетическими порциями (квантами). Сама по себе порция энергии чрезвычайно мала, но для одного изолированного атома (молекулы) это большая величина.

Когда речь идёт об отдельном кристалле (даже об очень маленьком, скажем, объёмом 0,1 мм³, такой можно увидеть только в микроскоп), количество атомов в нём описывается числом с громадным количеством нулей. И вот тогда квант энергии делится на громадное число атомов в кристалле; мы приходим к классической картине: порция энергии при проявлении оптических, тепловых и других свойств, может стать очень малой.

С первого взгляда, получается, что квантовые свойства важны для изолированных атомов, а для кристаллов (даже совсем маленьких) работает только классическая физика. Именно поэтому квантовые свойства были обнаружены и стали изучаться сравнительно недавно, в начале ХХ в., когда учёные научились работать с разреженными газами (т.е. веществами, состоящими из почти изолированных атомов). Я напоминаю ребятам, что первая, ещё несовершенная, квантовая теория (известная как постулаты Бора) была разработана для изолированного атома водорода.

Но оказывается, квантовые свойства проявляются и в очень тонких слоях твёрдых тел (тонких плёнках) толщиной порядка 0,01 мкм: на такой толщине укладываются 50–70 атомных слоёв. Я показываю образец – почти невидимую плёнку ZnO толщиной 0,2 мкм на кварцевой подложке. Единственная возможность обнаружить её – измерить сопротивление тестером (ZnO – проводник, а кварц – диэлектрик).

В микроэлектронике плёнки толщиной около 0,01 мкм и менее называются квантовыми ямами, т.к. их толщина близка к размеру атома. Свойства таких плёнок существенно зависят от их толщины (т.е. от одного из размеров) в отличие от толстых плёнок, демонстрирующих классические свойства. Кроме того, описание свойств тонких плёнок возможно только на основе квантовой механики.

Тонкие плёнки напыляются на подложки в вакууме в специальных установках. Журналисты любят называть такие установки атомными фабриками. Действительно, на подложку здесь осаждаются отдельные атомы (молекулы) вещества!

Большой вклад в изучение свойств «квантовых ям» и использование их в технике внёс наш соотечественник академик Жорес Иванович Алфёров. В 2000 г. он получил Нобелевскую премию за исследования в области низкоразмерных гетероструктур. Далее я обращаю внимание ребят на биографию Ж.И.Алфёрова (его портрет и краткое описание работ, за которые он получил Нобелевскую премию, висят на стенде «Нобелевские премии»). Я пытаюсь объяснить, с чем связан термин «гетероструктуры»: гетеро () – другой (неоднородный). Тончайшие плёнки не могут существовать без подложки, ничтожное шевеление воздуха просто разрушило бы их. Не зря эти плёнки напыляют в вакуумной камере. Естественно, что подложка должна быть из другого материала, в противном случае плёнка не могла бы получиться тонкой.

Ж.И.Алфёров нашёл множество применений «квантовым ямам». В жизни мы каждый день сталкиваемся с ними. В качестве примера можно привести миниатюрный полупроводниковый лазер, с помощью которого считывается информация с компакт-диска. Это устройство используется в компьютерах, устройствах оптической записи – считывания цифровой информации и т.д. Схематично структура полупроводникового лазера изображена на рисунке.

Она представляет собой «слоёный пирог» из перемежающихся полупроводниковых слоёв арсенида галлия-алюминия р-типа, сформированный на подложке из арсенида галлия n-типа. «Рабочим телом» лазера является тонкая (0,5 мкм) плёнка («квантовая яма») арсенида галлия р-типа. При подаче напряжения на металлические электроды, между которыми и заключена вся полупроводниковая структура, лазер возбуждается и генерирует излучение.

Высокочувствительные транзисторы, в которых используется эффект «квантовой ямы», стоят в каждом мобильном телефоне. Именно благодаря им мобильные телефоны поддерживают устойчивую связь в условиях чрезвычайно слабого сигнала. Эти же транзисторы используются в приёмниках телевизионных сигналов со спутников («спутниковых тарелках»).

Солнечные элементы на основе «квантовых ям» используются для питания космических аппаратов и крупных зданий на земле. Так, солнечная батарея на 32-этажном здании президиума Российской академии наук в Москве на Ленинском проспекте (известном в народе как «Дом со шляпой») фактически днём обеспечивает электроэнергией все службы, расположенные в нём, а часть даже отдаёт в Московскую электросеть.

Таким образом, я показываю, что даже такая абстрактная область физики, как квантовая механика, имеет вполне конкретные приложения в жизни.