Fizikte Nobel Ödülü - 2009 • İgor İvanov • "Elementler" Üzerine Bilim Haberleri • Nobel Ödülleri, Bilgi Teknolojisi, Fizik
Fizikte Nobel Ödülü – 2009
Şek. 1. 2009'da Fizikte Nobel Ödülü, Charles Cao, Willard Boyle ve George Smith (nobelprize.org'dan görüntü)
2009 yılında Fizik dalında Nobel Ödülü, bilgi teknolojisi alanında araştırma yapmak için Çin Charles Kao ve Amerikalılar Willard Beyle ve George Smith'e verildi. Kao, fiber optik veri aktarım teknolojisinin kaynağını oluşturdu ve Boyle ve Smith, dijital fotoğrafları elde etmek için filmi doğrudan bypass etmenizi sağlayan yarı iletken bir cihaz icat etti. Çalışmaları, önce uygulamalı bilimde, sonra yüksek teknolojide gerçek bir devrime yol açtı ve son on yılda, günlük yaşamımızda sıkı bir şekilde kurulmuş ve daha rahat hale getirilmişlerdir. Bir dijital kameradan ziyade filmli bir cep telefonunun neye benzeyeceğini hayal etmek yeterli!
XIX yüzyılın teknolojik devrimlerinden biri, telsiz dalgaları kullanarak hem telle hem de onlar olmadan uzun mesafeler boyunca bilgi iletmenin yollarının icadıydı. İlk başta, bu iki seçeneğin bir kişinin tüm bilgi ve iletişim ihtiyaçlarını tam olarak karşılaması gerektiği görünüyordu.Ancak, modern dünya için, bu kanalların bant genişliği – saniyede megabit veya eşzamanlı telefon konuşmalarının sayısı – çok, çok yetersiz. Ve en önemlisi, bu bant genişliği, iletim kanalında meydana gelen süreçlerin yavaşlığından dolayı, herhangi bir teknolojik gelişme tarafından atlanamayan temel bir sınırlamaya sahiptir.
Örneğin, radyo dalgaları üzerinden bilginin 100 MHz'lik bir taşıyıcı frekansı ile aktarılmasını düşünün. Bilgi, taşıyıcı dalganın küçük bir modülasyonu olarak kodlanır, bununla birlikte, bu modülasyonlar, dalganın kendisinin salınımından çok daha yavaş olmalıdır – aksi takdirde dalga çok fazla bozulur, çok büyük bir frekans bandı alır. Bu, böyle bir dalgada, saniyede birkaç megabit frekansı ile birbirini takip eden bir bit dizisini kodlamak anlamına gelir. Bu nedenle, bilgi aktarım hızını arttırmak istiyorsak, kaçınılmaz olarak elektromanyetik dalgaların taşıyıcı frekansını arttırmak zorundayız. Bu yüzden fizikçiler dikkatlerini ışık darbelerine çevirdi. Yaklaşık 10 frekansı ile15 Hz ışık darbeleri, en azından teorik olarak, saniyede yüz terabit iletmeye izin verir (aslında, burada soru, vericinin ve sinyal alıcılarının hızına bağlıdır).
İlginç bir şekilde, ışık kullanarak bir telefon görüşmesi yapmak için ilk girişim, telekomünikasyon teknolojisinin başlangıcında 1880'de Alexander Graham Bell tarafından uygulandı. Onun cihazı – bir fotoğraf makinesi – titreyen bir ayna yardımıyla bir ses dalgasını doğrudan açık havada alıcıya iletilen modüle edilmiş bir güneş ışınına dönüştürdü. Bu şema açık bir şekilde, gürültünün atmosferin durumuna bağlı olduğu ve her halükarda sadece görüş mesafesindeki sinyalleri iletmesine izin verilen hafif gürültüye maruz kalmıştır. Cihazın daha verimli çalışması için, ışığın harici ışık girişiminden korunan bir kanaldan geçmesi gerekiyordu.
Fiber optikler buradaki kurtarmaya gelebilir – ince, koruyucu bir kılıf içine yerleştirilmiş ve bu nedenle oldukça esnek bir cam dişi. Böyle bir kanal, toplam iç yansıma olgusu nedeniyle ışığı iletir. Bu, fiber boyunca ilerleyen ve “cam-hava” arayüzüne yaklaşan ışığın ortaya çıkmadığı zaman etkinin adıdır.tekrar camın içine yansıdı ve sonuç olarak tüm kıvrımlarını mütemadiyen takip ederek lif boyunca ilerler.
20. yüzyılın başlarında, bu etkinin uzun mesafelerde ışık sinyallerinin iletilmesi için hizmete girmesi için girişimlerde bulunuldu, ancak burada beklenmedik bir şey ortaya çıktı – camın böyle şeffaf bir malzeme olmadığı ortaya çıktı. Bunu kendiniz doğrulayabilirsiniz. Bir pencere camı al ve kıçtan bak. boyunca cam. Karşı taraftaki bir görüntü değil, sadece karakteristik bir yeşilimsi renkte kalın bir cam göreceksiniz. Işık, normal camın kalınlığında sadece bir metre veya iki "kırılır".
Ölçü birimlerinin sapması. Elyaf tekdüze ise, sinyalin zayıflaması (yani, ışık darbesinin parlaklığının zayıflaması), mesafeyle katlanarak gider. Başka bir deyişle, o zaman, yolun uzunluğu ile orantılı olarak, sinyal büyüklüğünün kaç katı kadar zayıflar. 10 metrelik bir fiberde sinyal 10 kez azalırsa, 20 metrelik bir fiberde 100 kat, 30 metrelik bir fiberde 1000 kez, vb. Azalır. Mühendislikte, siparişler genellikle desibel cinsinden ifade edilir: 10 dB; bir sipariş, 20 dB – iki siparişle değiştir, vb.Bu nedenle, belirli bir iletim hattı ile karakterize edilir zayıflama katsayısıiçinde ifade edilen dB / m (ya da dB / km). Söyle, yukarıda açıklanan durum (yolun her 10 metre için 10 kez düşüş) 1000 dB / km'lik bir sönümleme faktörüne karşılık gelir.
Yirminci yüzyılın ilk yarısında üretilen en temiz camlarda bile, ışık on metrelik bir mesafeden zayıflatılmış, yani zayıflama katsayısı yaklaşık 1000 dB / km'dir. Yine de optik lifler, büyük mesafeler gerektirmeyen bazı görevlerde (örneğin, gastroskopi sırasında ilacın) kullanılmaya başlanmıştır. Ancak uzun mesafelerde verimli veri iletimi için bu tür optik fiberlerin kullanılması hala gerçekçi değildi. Tahminler, optik fiberlerin etkili bir iletişim taşıyıcısı haline gelmesi için, zayıflama katsayısının en az yüz kat – 20 dB / km seviyesine düşürülmesi gerektiğini göstermiştir. Fakat bunu nasıl başarabileceğimiz ve bunun başarılabileceği, 20. yüzyılın ortalarında tamamen belirsizdir. Zayıflatmanın yanı sıra, ışığın ışığın profili tanıma dışında bozulduğundan, ışığın cam içindeki dağılımı gibi başka problemler de vardı.
Sonuç olarak, 1950'lerde uzmanların tüm bu girişime karşı genel tavrı çok kuşkundu ve diğer telekomünikasyon yöntemleri daha iyimserdi. Böylece, 1956 yılında, ilk telefon trans-Atlantik kablosu döşendi ve birkaç yıl sonra, uydu teknolojisinin hızlı gelişimi başladı (ilk iletişim uydusu 1958'de başlatıldı).
Şek. 2. 1960'lar: Charles Cao, optik liflerle deneyler yapar (nobelprize.org'dan görüntü)
1960'larda, Londra Üniversitesi'nde tezini savunan genç bir Çin kökenli mühendis olan Charles Cao, neden camın gerekli şeffaflığını elde edemediğini anlamaya karar verdi. Genç kuramcı G. A. Hockham ile birlikte, camda çeşitli optik süreçleri dikkatle incelemiş ve ışığa zayıflamadaki temel katkının, camdaki safsızlıklar tarafından basitçe yapıldığı sonucuna varmıştır. Kao, bu safsızlıkların giderilebilmesi durumunda, birkaç dB / km'lik bir sönümleme faktörünün elde edilebileceğini öngörmüştü!
Bu zamana kadar, aynı zamanda optik fiber üzerinden sinyal iletimi için ideal olan bir ışık üreten “lazerler” de geldi.Sonuç olarak, 1960'ların sonunda, bu konuya olan ilgi yeni bir güçle alevlendi ve gerçek teknolojik yarışma, camı olabildiğince temiz ve en az düzeyde hafifletmeye başladı. Kao'nun kendisi de bu konuda büyük rol oynamıştır. Çeşitli malzemelerde ışığın yayılmasını aktif olarak incelemeye devam etti ve kuvars camının en iyi seçenek olması gerektiği sonucuna vardı. Ayrıca, çeşitli laboratuvarların yanı sıra mühendisler ve sanayicilerle iletişim kuran fiber optik bilgi teknolojisi fikrini aktif olarak destekledi.
Yüksek saflıkta kuvars camı yapmak çok yüksek erime noktası nedeniyle göz korkutucu bir görev olduğunu kanıtlamıştır. Bununla birlikte, 1970 yılında, kimyasal buhar biriktirme teknolojisini kullanarak gerekli liflerin nasıl yetiştirileceğini öğrenen Corning Glass Works'ten (Robert Maurer, Donald Keck, Peter Schulz) bir grup araştırmacı tarafından bir çıkış yolu bulunmuştur. 1970 yılında, iki yıl sonra 16 dB / km'lik bir oran elde ettiler, bu değer 4 dB / km'ye düştü. Beş yıl sonra, Birleşik Krallık'ta, daha sonra ABD ve Japonya'da ilk ticari fiber optik kanallar ortaya çıktı ve 1988'de bir transatlantik fiber optik kablo döşendi.Bu arada, teknoloji gelişmeye devam etti (Şekil 3'e bakınız) ve şimdi kayıt şeffaflığı olan örneklerde absorbsiyon katsayısı 0,2 dB / km'den azdır. Bu, Kao'nun teorik makalelerinde aldığı tahminlerden bile daha az.
Şek. 3. Zamanla cam saydamlığının evrimi; dikey DB / km'deki zayıflama katsayısı çizilir, sağdaki dikey ölçek, bir kilometre kalınlığında cam geçirdikten sonra sinyalin ne kadar kaldığını gösterir. Fiber Optik Temelleri kitabından alınan görüntü
Bu konunun sonunda, kuvars camındaki absorpsiyon katsayısının ışığın dalga boyuna bağımlılığının grafiğine de bakmak faydalı olacaktır (Şekil 4). Saçılma kayıplarının en azından optikte değil, spektrumun kızılötesi bölgesinde olduğunu gösterir. Dalga boyu azaldıkça, ortamın kırılma indisinin homojensizliklerine (Rayleigh saçılması) ışık saçılması nedeniyle zayıflama katsayısı keskin bir şekilde artar. Öte yandan, 1 um'nin üzerindeki dalga boyu bölgesinde, hidroksil grubu OH'nın güçlü soğurma hatları kendilerini göstermeye başlar, bu da optik fiberde ortadan kaldırılamaz. Sonuç olarak, minimum absorpsiyon, yakın kızılötesi aralıkta yer alan bireysel “şeffaflık pencereleri” ne (genellikle 1.3 mikron ve 1.55 mikron) düşer ve bu frekanslar, fiber optik bağlantının çalıştığı frekanslardır.
Şek. 4. Işık dalga boyu üzerindeki bir kuvars optik fiberdeki zayıflama katsayısının bağımlılığı (www.newport.com'dan görüntü)
Bu arada, Rayleigh'nin gökyüzünün mavi görünmesi ve gün batımının kırmızı olduğunu, yani “kırmızı”, yani uzun dalga ışığını, daha geçtikçe ve atmosferde daha az dağıldığını görmesi ilginçtir. Bu nedenle, kızılötesi menzilin, gün batımı renkleri gökyüzünün mor olduğu aynı sebepten dolayı bir fiber optik bağlantı için seçildiği söylenebilir.
Şarj bağlı cihaz
Nobel Ödülü'nün ikinci yarısı, buluş için Willard Beyle ve George Smith'e verildi. şarj bağlı cihaz – CCD (İngilizce olarak CCD – yüklü kuplajlı cihaz). Dijital formatta hemen fotoğraf çekmenizi sağlayan yarı iletken bir aygıt denir: bir ışık akısı vardı – ve hemen bir görüntü ile bir dosya çıktı. Şimdi, dijital fotoğrafçılık çok tanıdık hale geldiğinde, bu keşfin devrimin nasıl kaybolduğuna dair duyduğu his. Ancak birkaç on yıl önce, sadece bilimsel araştırmalarda kullanılan fotoğraf verilerinin dijital olarak işlenmesi uzun ve çok adımlıydı.Görüntü filme kaydedildi, gösterildi, basıldı, tarandı, bir dosyaya dönüştürüldü ve ancak daha sonra işlendi. Tüm bu aşamaları atlayan CCD, hemen kullanılabilir dijital görüntü sağladı, tüm gözlem ve veri işleme sürecini büyük ölçüde basitleştirdi ve hızlandırdı.
Şarj-bağlı cihaz iki şeyden dolayı mümkün oldu: doğanın yarattığı inanılmaz bir malzeme sınıfı – yarı iletkenler ve özelliklerini tam olarak nasıl kullanacaklarını anlayan araştırmacıların keskinliği. Boyle ve Smith, ünlü Bell Labs laboratuvarının çalışanı (ki, tesadüfen, şimdiden yedi Nobel ödülüne sahiptir, ancak buna rağmen, geçen yıl kendi temel araştırma grubunu kapsayacak şekilde kararlaştırılmıştır), yazma ve okuma için etkin bir yarı iletken cihaz oluşturma görevi verildi. bilginin mikroskobik “yük bulutları” şeklinde depolanacağı bilgiler. Bu görevin amacı, aynı zamanda “manyetik baloncuklara” dayanan hafıza öğelerinin gelişiminin tam hızla devam ettiği aynı Bell Labs'ın başka bir bölümü ile rekabet etmektir.Aynı zamanda, şimdiye kadar herhangi bir duyarlılıktan söz edilmiyordu – görev sadece bilgi saklamak ve okumak için bir cihazla ilgiliydi.
17 Ekim 1969 günü unutulmaz bir günde, Boyle ve Smith bu görevi üstlendiler ve tam anlamıyla bir saat içinde gemide gerekli şarj kuplajlı cihazın prototipini attılar. Anahtar elemanı en basit olanıdır. MOS yapısı ("Metal oksit yarı iletken") – bir metal katmanı ve genellikle bir silikon oksidi olan bir yalıtkanın ince bir tabakası ile ayrılmış bir yarı iletken tabakayı içeren bir açıklıktır (bakınız Şekil 5). Bu durumda, ana yük taşıyıcıların elektron olmadığı, ancak “delikler”, yani yarı iletken olan yarı iletken seçilir. p-tipi (en basit giriş için, yarı iletkenlerdeki sayfadaki elektrik akımına bakın). Metal “yama” için bir elektrot uygundur ve gerekli voltaj uygulanabilir.
Şek. 5. En basit MOS yapısının cihazının diyagramı (şekil I. Ivanov)
Böyle bir cihazdaki bir “bitin” rolü, bir elektron bulutu tarafından oynanmalıdır. Ancak, yarı iletken içinde saklayın p-type sadece işe yaramaz: "delikler" hemen çalışır ve tüm serbest elektronları "yutar".Bu nedenle, çok az delik olacak ve aynı zamanda elektronların bu bölgeden herhangi bir yerde çalışmadığından emin olunan küçük bir bölge oluşturmak gerekir. Metal elektroda pozitif bir voltaj uygulanırsa, bu gereksinimlerin ikisi de bir düşme ile karşılanır. Yükselen bir elektrik alanının etkisi altında, pozitif yükleri nedeniyle, delikler doğrudan elektrotun altında bulunan küçük bir bölgeden uzaklaşacak ve elektronlar, bunun tersine “oturacak” ve herhangi bir yere gitmeyeceklerdir. Bilgi depolayan "elektron tuzağı". Eğer tuzakta elektronlar varsa – “sıfır” – değilse “bir” hücre içine yazılır.
Ancak, soru hemen ortaya çıkıyor: Bu bilgiyi nasıl okuyacağım? Elektron bulutu ortadan kalktığında, sadece pozitif gerilimi "serbest bırakmak" gerekiyor. Bu amaçla Boyle ve Smith denilen yeni bir veri aktarma yöntemi ile geldi. şarj bağlantısı (Şek. 6).
Tek boyutlu bir CCD matrisi gibi bir dizi MOS yapımız olduğunu varsayalım. Her hafıza hücresi için elektrotlar uygundur; Ek olarak, bellek hücrelerini ayıran yardımcı, bilgi olmayan MOP yapıları da vardır.Bilgi hücreleri hakkında bilgi depolanırken gerekli voltaj uygulanır, ancak yardımcı olanlarda değildir. Sonra tüm komşu hücreler bir kerede – sağda – gerekli gerilimi sağlarlar ve sonuç olarak her bir "elektron kapanı" iki hücreye genişler. Bir sonraki adım, voltajı kaynak hücrelerden uzaklaştırmaktır, “elektron kapanı” tekrar sıkıştırılır, ancak bir adım sağa doğru ilerlemiştir ve tüm elektronlar buna mütemadiyen akar. Böylece, tüm bellek hücrelerindeki bilgiler eşzamanlı olarak sağa kaymıştır. Bu döngü döngüsüyle devam eder ve bu “satırın” çıkışında, kendisine gelen yükü algılayan ve normal bir dijital elektrik sinyali üreten tek bir okuma cihazı vardır.
Şek. 6. CCD matrisinde yük birleştirme işleminin prensibi (wikipedia.org'dan görüntü)
İki boyutlu bir CCD için, okuma prensibi benzerdir (Şekil 7'ye bakınız). Her şeyden önce, tüm matris eşzamanlı olarak bir kayıt tarafından aşağı kaydırılır, daha sonra alınan bitler sütunu, yukarıda tarif edildiği gibi en alttaki cetvelden (ve sadece ondan) okunur. Bundan sonra, tüm matris tekrar bir kayıt tarafından aşağı kaydırılır, bilgi alt çubuktan tekrar okunur, vb.Sonuç olarak, çok kompakt bir yarı iletken konfigürasyonda ve gelen şarjı algılayan tek bir cihaz kullanarak, sıralı olarak, satır satırını, tüm veri dizisini okuyabilirsiniz.
Şek. 7. İki boyutlu bir CCD matrisinden bilgi okuma prensibi (ferra.ru sitesinden görüntü)
Şimdiye kadar sadece hafıza hücrelerini manipüle etmek ve bilgi okumakla ilgiliydi. Ancak, bu bilgi mutlaka orada kaydedilmiş değildir – orada ortaya çıkabilir kendim Işık ile bir CCD dizisi tarafından ışınlandığında. Bunun nedeni, yarı iletkenin başka bir benzersiz özelliğe sahip olmasıdır – ışığa duyarlılık. Işık fotonları, yarı iletken içine girerek, bir çift elektron ve delik oluştururlar. Eğer MOS yapısında, başlangıçta boş "elektron kapanının" sınırları içinde böyle bir süreç meydana gelirse, o zaman elektronlar buna yerleşir ve delikler söner. Sonuç olarak, zaman içinde, absorbe, absorbe edilen ışık akısı ile yaklaşık orantılı bir şekilde birikir. MOS yapısının, oldukça geniş bir parlaklık aralığı yelpazesine sahip, ışığa duyarlı bir piksel olarak çalıştığı ortaya çıkıyor.Ve şimdi cihaz okuma sürecinde, bir sonraki bellek hücresinde bir yokluğun veya bir şarjın varlığını algılamak değil, aynı zamanda birikmiş yükü ölçmek mümkün olacak, o zaman doğrudan dijital biçimde kaydedilen en gerçek optik görüntü elde edeceğiz.
Elbette, modern CCD'ler bu en basit devreden çok daha mükemmel. Modern bir CCD sensörü renkleri tanıyabilir, “elektron kapanları” taşmasını nasıl önler ve gelişmiş yarı iletken teknolojisi kullanılarak üretilir. Bazı detaylar Dijital Fotoğraf Trendleri, Bölüm 3 ve Dijital Fotoğraf Makinesi Kalbi: CCD'de bulunabilir.
CCD matrislerinin kullanımına gelince, uzun zamandan beri kompakt dijital kameralar ve kameralar biçiminde hayatımıza girdiler. CCD'lerin minyatür boyutları, tıbbi alanda bir devrime yol açmıştır, çünkü bunlar, diyagnozu (örneğin, farklı tipte endoskopi ile) ve doktorun ameliyat yeteneklerini önemli ölçüde genişletmiştir. Onlar sayesinde minimal invaziv bir cerrahi teknik (laparoskopi) gelişti. Ek olarak, şimdi CCD dizileri sadece tespit için değilOptik radyasyon, aynı zamanda spektrumun diğer bölgelerinde, özellikle de düşük dozlu dijital X-ray kurulumlarında kullanılırlar. Vertex dedektörleri, modern çarpıştırıcılarda üretilen temel parçacıkları tespit etmek için bir CCD temelinde çalışır. CCD matrisleri, uzay dahil tüm modern teleskoplarda bulunmaktadır. Ama her şey, Boyle ve Smith'in bir yarı iletkende bir "elektron bulutu" nu nasıl depolayıp sürekli olarak aktarmaları gerektiği ile ilgili varsayımıyla başladı.
1) K. C. Kao ve G. A. Hockham. Optik frekanslar için Dielektrik-Fiber Yüzey Dalga Kılavuzları // Proc. IEEE, 113, 1151 (1966).
2) W. S. Boyle ve G. E. Smith. Charge-Coupled Yarıiletken Cihazlar // Bell Sistemleri Teknik Dergisi, 49, 587 (1970).
Fizik 2009 Nobel Ödülü – Nobel Komitesi'nden resmi bilgiler.
Fiber Optikler Eğitimi, fiber optik teknolojisine kısa bir giriş niteliğindedir.
Üretim tarihi ve ışık kılavuzlarının fiziksel parametreleri [ışık kılavuzlarının [//nag.ru/wiki/index.php/History_production_and_physical_parameters_] – üretim tarihine ve teknolojisine kısa bir bakış.
MP Petrov. Optik iletişim hatları için optik fiberler // Soros Eğitim Dergisi1996, No. 5, sayfa 101-108.
VV Shevchenko, Modern sinyal iletim hatlarının fiziksel temelleri // Soros Eğitim Dergisi1997, No. 3, ss 100-106.