Текст книги "Юный техник, 2008 № 01"

Автор книги: Юный техник Журнал

сообщить о нарушении

Текущая страница: 2 (всего у книги 5 страниц)

ПРЕМИИ

На пути к спинтронике оказалось весьма полезным гигантское сопротивление

В конце 2007 года в столице Швеции были объявлены имена лауреатов Нобелевской премии в области физики. Француз Альбер Фери немец Петер Грюнбергбыли удостоены высокой награды за открытие эффекта так называемого гигантского магнитного сопротивления (сокращенно GMR).

Еще в 1857 году английский физик лорд Кельвин обнаружил, что электрическое сопротивление меняется под воздействием магнитного поля. Если поле приложено вдоль проводника, сопротивление минимально и возрастает, если силовые линии магнитного поля направлены перпендикулярно проводнику.

Обнаруженный эффект оказался невелик и практического применения в то время не нашел. Но когда к концу XX века появилась техническая возможность создавать металлические пленки толщиной в миллиардную долю метра, то есть всего в несколько атомов, открытое Кельвином явление вдруг проявило себя совершенно по-новому.

В обычном проводнике, как известно, электрический ток передается электронами. И чем прямее их путь, чем меньше они рассеиваются на загрязняющих примесях и дефектах кристаллической решетки, тем ниже сопротивление.

Если проводник состоит из тончайших слоев, разделенных немагнитной прослойкой, и магнитные поля в соседних слоях направлены в одну сторону, сопротивление такого проводника тоже мало. Однако, если эти магнитные поля направлены противоположно, рассеивание электронов за счет квантовых эффектов на границах слоев резко увеличивается и сопротивление многократно возрастает. В этом и состоит суть эффекта, обнаруженного нынешними лауреатами в 1988 году.

Интересно, что до них в 1985 году аналогичную работу вел Чак Майкржак из Брунхевенской национальной лаборатории. Он заметил в «сэндвиче», состоящем из слоев ферромагнитного гадолиния и немагнитного иттрия, интересное явление.

Когда слой иттрия был толстым, то во всех прослойках гадолиния спины электронов направлены в одну и ту же сторону, то есть параллельны. А в «сэндвичах», где прослойки иттрия были тонкими, направления намагниченности гадолиния чередовались. Если бы Майкржак догадался замерить электрическое сопротивление такой структуры, автором открытия был бы он. Но он ограничился в 1986 году лишь публикацией статьи о замечен ном им эффекте. И честь первооткрывателей досталась нынешним нобелевским лауреатам.

Сначала они работали независимо друг от друга. Но, познакомившись в 1988 году на научной конференции по проблемам магнетизма в Париже, ученые стали информировать друг друга о проделанных исследованиях.

И хотя Фер работал с двухслойными «сэндвичами», а Грюнберг с трехслойными, нобелевский комитет наградил обоих.

Схема, показывающая суть эффекта GMR. Многослойный «сэндвич», состоящий из железа (обозначено зеленым) и хрома (серый цвет), может обладать высоким сопротивлением, если намагниченность слоев не одинакова ( рис. А). И сопротивление становится низким, если намагниченность одинакова во всех слоях ( рис. Б).

В конце ХХ века потрясающая чувствительность GMR к изменению поля была оценена по достоинству, и в 1997 году IBM создала первую считывающую головку, основанную на этом эффекте. Она получилась весьма компактной, обладала высокой избирательностью, что позволило значительно увеличить емкость носителей как оперативной, так и долговременной памяти в компьютерной технике.

Например, ныне уже созданы жесткие диски вместимостью 1 терабайт, или 1000 мегабайт. На практике это означает, что на таком диске можно записать, например, 200 полнометражных фильмов. А если сделать попытку записать тот же объем информации на обычных дискетах, то высота столба, составленного из них, достигнет… 2 км! Между тем, сейчас компьютерщики ведут разговоры о создании дисков вместимостью 4 терабайта…

Кроме того, с помощью технологии GMR удалось намного увеличить скорость считывания, а также записи информации в миллионах компьютерных систем.

И это еще не все. Нобелевская премия – уже пятая крупная международная награда, полученная исследователями за эту работу. Поскольку, как уже говорилось, эффект GMR наблюдается в материалах, состоящих из двух магнитных слоев, разделенных очень тонким немагнитным, то это свойство позволяет создавать ток не из простых, а из спин-поляризованных электронов.

Раньше спином электрона для наглядности называли свойство частицы крутиться в одну или другую сторону, словно волчок (отсюда, собственно, и название – spinв переводе с английского «вращаться»). Ныне же физики называют спином «собственный момент количества движения электрона или иной элементарной частицы, имеющий квантовую природу и не связанный с перемещением частицы как целого».

То есть, проще говоря, можно представить, что каждый электрон представляет собой как бы крошечный элементарный магнитик, «северный» конец стрелки которого совпадает с направлением спина.

Со спинами электронов связано такое интересное явление, как ферромагнетизм – способность материала становиться магнитом. Суть его в том, что в некоторых металлах – например, железе, хроме, никеле и гадолинии – электроны с одинаковым спином способны объединенными усилиями превратить в магнит атом, которому они принадлежат. А все атомы вместе делают магнитом и весь материал.

Для нас, впрочем, в данном случае важно то, что такая особенность может быть использована для создания еще более совершенных электронных схем.

Новая область науки, использующая спин в квантовых вычислительных системах, названа спинтроникой. По мнению многих экспертов, она позволит вскоре создать сверхмощные квантовые компьютеры, по сравнению с которыми современные вычислительные машины будут казаться столь же медлительными, как механические арифмометры по сравнению с электронными калькуляторами.

С. НИКОЛАЕВ

Кстати…

СТО ПЕРВАЯ НАГРАДА

К сказанному можно добавить, что данная премия – 101-я в истории Нобелевских премий по физике. (По разным причинам премии не присуждались в 1916, 1931, 1934 и 1940–1942 годах.) И впервые за многие годы среди лауреатов не оказалось физиков из США.

Первым лауреатом Нобелевской премии по физике стал в 1901 году Вильгельм Конрад Рентген, удостоившийся приза за открытие лучей, ныне носящих его имя. Отечественные ученые ждали первой премии еще 57 лет, зато в 1958 году за открытие и объяснение эффекта Черенкова ее получили сразу трое советских исследователей – Игорь Тамм, Илья Франк и, собственно, сам Павел Черенков.

Вообще, физики были наиболее удачливыми из отечественных ученых на нобелевском поприще – наша страна может похвастаться 10 лауреатами. Через четыре года после Черенкова и его коллег премию получил знаменитый теоретик Лев Ландау. Еще через два года академики Басов и Прохоров поделили с американцем Таундсом премию за создание лазера, а в 1978 году высшей наградой был отмечен патриарх советской физики Петр Капица.

Последними же лауреатами стали Жорес Алферов в 2000 году и Алексей Абрикосов вместе с Виталием Гинзбургом – в 2003-м.

Примечательно, что почти половина отечественных ученых, отмеченных Нобелевской премией (Абрикосов, Гинзбург, Капица и Ландау), получили ее за исследования в области низких температур. Кроме того, за работы в области классической физики получили премии лишь первые три лауреата. Работы остальных относятся к квантовой физике – теоретической или экспериментальной.

В нашей стране тоже ведутся работы по GMR. Однако у наших ученых попросту не хватает денег на развитие необходимых технологий.

Антинобель нашел своих героев

В октябре, как обычно, нобелевская неделя началась с объявления имен лауреатов Шнобелевских или Игнобелевских премий – наград за самые бесполезные научные достижения.

Церемония награждения с большим весельем прошла в Гарвардском университете 4 октября. Каждый из номинантов должен был всего за 24 секунды рассказать о сути своей работы и подвести ее итог всего в 7 словах, что, согласитесь, уже требует немалого остроумия.

В области медицины награды удостоились Брайан Уиткомб (Великобритания) и Дэн Мейер (США), за обстоятельный доклад «Шпагоглотательство и его побочные эффекты». Исследователи пришли к выводу, что это занятие чревато повреждениями горла и разрывами пищевода. Причем доктор Дэн Мейер буквально не пожалел живота своего и публично продемонстрировал трюк с глотанием шпаги.

Так выглядит награда Игнобелевского комитета.

Д. Мейердемонстрирует трюк с глотанием шпаги.

Кстати, о животе. Диетолог Брайан Уэнсинг (США, университет Корнелла) наглядно продемонстрировал, что за чувство насыщения отвечает не только желудок, но и… глаза. Когда он стал кормить испытуемых супом из «бездонной» тарелки с автовосполнением, то они стали съедать намного больше, чем обычно. Люди предпочитали больше верить глазам своим, нежели желудку: раз тарелка по-прежнему полна, значит, съели они нее много…

Физики Лакшминараянан Махадеван (США, Гарвардский университет) и Энрике Сэрда Вильябланка (университет Сантьяго в Чили) не пожалели времени и усилий для исследования процесса образования складок на простынях. Они пришли к заключению, что во всем виноваты силы трения и беспокойство спящих. Чем больше они вертятся по ночам, тем чаще образуются складки. Причем, как оказалось, этот процесс можно описать математически. Что, как ни странно, весьма заинтересовало создателей компьютерных игр и мультфильмов. Теперь они смогут более реалистически изображать складки на развевающихся знаменах и одежде своих героев.

Проблемами постели интересуется, со своей стороны, и биолог Йоханна ван Бронсвийк (Голландия, технологический университет Эйндховена). Она ухитрилась пересчитать и переписать все ныне существующие виды постельных паразитов – насекомых, бактерий и грибков. Они тоже в какой-то мере ответственны за то, что иные люди спят по ночам беспокойно.

А вот химик Майя Ямамото (Международный медицинский центр Японии) подтвердила своей работой, что и в навозной куче можно отыскать жемчужное зерно. Во всяком случае, ей удалось разработать способ получения из коровьего навоза… ванилина!

Лингвисты Хуан Мануэль Торо, Хосеп Тробалон и Нуриа Себастиан-Гальес (Испания, Барселонский университет) в очередной раз подтвердили, что животные хоть и обладают разумом, но до людей им все же далеко. По их мнению, даже такие сообразительные животные, как крысы, не способны отличать говор человека, говорящего по-японски «задом наперед», от произносимой аналогичным образом голландской речи.

Экономист Го Чжэн Се (Тайвань) пришел к заключению, что дешевле всего ловить грабителей банков путем набрасывания на них специальной сети. А пока они будут выпутываться из создавшейся ситуации, подоспеет полиция…

Литератор Гленда Браун из Австралии обратила внимание собравшихся, что определенный артикль theв английском языке приводит в замешательство компьютер при алфавитной сортировке названий книг и фильмов. А это наводит путаницу в каталогах библио– и видеотек.

Стоит отметить, что практически все победители прибыли на церемонию награждения лично.

УДИВИТЕЛЬНО, НО ФАКТ!
Намадзу. Страшней рыбы нет!

«Когда живущий глубоко под землей сом (намадзу) начинает шевелиться, происходит землетрясение», – всерьез верили японцы в стародавние времена. Об этом свидетельствуют так называемые намадзу-э, картины с изображением сомов, относящиеся к эпохе Эдо (XVII – конец XIX вв.). Их писали каждый раз, когда случались крупные землетрясения.

Интересно, почему и с какого времени сом стал ассоциироваться у японцев с этим природным бедствием?

Самым древним письменным источником, в котором очевидна связь между землетрясениями и сомами, является письмо объединителя Японии Тоётоми Хидэёси, жившего в 1536–1598 годах. На склоне своих лет, в 1592 году, Хидэёси вознамерился построить в районе Фусими древней столицы Японии г. Киото новый замок.

По этому случаю он отправил письмо в департамент, осуществляющий управление и полицейский контроль внутри города. В нем излагалось пожелание: «В связи с возведением замка Фусими следует предпринять самые решительные меры противодействия сомам».

Сейчас, конечно, никто не ставит в вину рыбам страшные бедствия на нашей планете. Всем известно, что землетрясения возникают глубоко в недрах, чаще всего на границах литосферных плит, в районе так называемых тектонических разломов. Вследствие процесс сов, происходящих в магме, плиты время от времени начинают сталкиваться, и во всем регионе происходит серия подземных толчков. Так что ученые сегодня знают, где можно ждать землетрясений, и готовы даже примерно предсказать их силу. Единственная загвоздка – нет пока точной методики прогноза, когда именно начнет трясти.

В поисках надежных предвестников землетрясения исследователи перепробовали, казалось бы, все. Землетрясения пытаются предсказывать по облакам, которые в районе грядущего бедствия, дескать, принимают особую форму. По выбросам из недр земли радиоактивного газа радона. По изменениям характеристик электромагнитного поля. По изменению уровня грунтовых вод…

Однако единого четкого предвестника нет и нет. И потому наряду с последними спутниковыми методами прогноза приходится вспоминать и старинные дедовские методы. Так, например, некоторые люди накануне землетрясения ощущают покалывание в руках и ногах, беспокойно ведут себя кошки и собаки, а пауки меняют рисунок своей паутины, укрепляют ее, насколько возможно.

Старинная гравюра, показывающая, как правитель Японии наказывает сома, чтобы тот больше не устраивал пакостей.

Что же касается японцев, то они вновь вспомнили о сомах. О том, что рыбы действительно проявляли необычайную активность непосредственно перед землетрясением в Эдо, упоминается, например, в «Записках Ансэя Кэмбуна» («Ансэй Кэмбуннси»), изданных в начале прошлого века. Этот человек однажды отправился на реку ловить угрей, но не сумел поймать ни одного: на удочку попадались лишь сомы. И тогда он вспомнил давнее предание о том, что, если сомы становятся особенно беспокойны, – быть землетрясению. Вернувшись домой, Ансэй приготовился к возможной беде, и действительно, в тот же вечер произошло землетрясение.

Рассказывают, что за несколько дней до большого землетрясения в Канто в 1923 году сомы в токийском пруду Мукодзима начали выпрыгивать из воды, а непосредственно перед трагедией в пруду Кугэнума, что в префектуре Канагава, было поймано необычайно много рыбы – три полных бадьи.

В наши дни сомов специально разводят для экспериментов. Основываясь на исторических фактах, ученые предполагают, что эти рыбы обладают способностью чувствовать признаки приближающегося землетрясения.

Строго научного ответа на вопрос, какая причинно-следственная связь лежит между действиями сомов и предстоящими землетрясениями, до сих пор нет. Сомы – рыбы, живущие на дне рек и прудов. Вероятно, ощущая малейшие изменения в электрических токах под землей, сом откликается на эту смену необычной активностью.

А. ПЕТРОВ

У СОРОКИ НА ХВОСТЕ

ВЕСЕЛЯЩИЕ… ПУЛИ. Американские специалисты предложили недавно начинять пули полицейских закисью азота – веселящим газом. При попадании в тело человека или в бронежилет происходит выброс газа. Пораженного охватывает приступ безудержного смеха, и он на время теряет контроль над собой. Вот тут его самое время брать…

ХИМЧИСТКА ВЫСОКОГО ИСКУССТВА. Нанотехнологии, похоже, добрались до самых вершин искусства. Группа исследователей из университета Флоренции сообщила о создании наномагнитной губки. Это специальный полимерный гель, который содержит в себе наночастицы кобальта и оксида железа. Его наносят на загрязненную поверхность картины, выжидают, пока гель подсохнет, вбирая в себя частицы грязи. Затем к картине подносят сильный магнит, и всю грязь с картины «словно ветром сдуло»…

ПЛАНЕТ ВСЕ МЕНЬШЕ.Специалисты Европейской организации астрономических исследований недавно сделали удивительное открытие. Проанализировав спектры ближайших к Солнцу звездных систем, они пришли к заключению, что в мире звезд не все следует раз и навсегда заведенному порядку. Некоторые планеты, особенно в системах двойных звезд, попав под гравитационное возмущение сразу двух светил, сбиваются с орбит и падают на одну из звезд.

ЧЕМУ НАС УЧАТ ЧЕРВЯКИ?Оказывается, очень многому. В особенности, если объект изучения не обычные, скажем, дождевые, а ледяные черви, которые легко передвигаются в снегах и льдах, предпочитают жить при температуре около 0 °C… НАСА выделило 200 тысяч долларов для ответа на вопрос, каким же образом крошечные существа пробиваются сквозь ледовую толщу.

Одни исследователи полагают, что черви для этого используют крошечные трещины во льду, а другие, что они способны выделять некое вещество, заставляющее лед и снег таять. В любом случае, как полагают эксперты НАСА, эти существа могут раскрыть немало интересного о возможностях жизни не только на Земле, но и на ледяных лунах Юпитера и других планет.

Впрочем, не забыты и чисто земные интересы. Изучение особенностей процессов обмена в организмах ледяных червей, как полагают, поможет усовершенствовать методику хранения в холодильниках органов и тканей, предназначенных для пересадки.

СОН – ЛУЧШЕЕ ЛЕКАРСТВО. Хроническое недосыпание грозит здоровью человека, напоминают британские медики. Дело в том, что, по данным статистики, за ХХ век средняя продолжительность сна у людей сократилась с 9 – 10 до 6 часов. Виною тому ночные дискотеки, просмотр телепередач, которые кончаются далеко за полночь, бдения в Интернете…

«Если вы мало спите, ваша жизнь соответственно укоротится примерно на треть», – предупреждают медики..

ВЕСТИ ИЗ ЛАБОРАТОРИЙ
Математика велосипеда

После столетия упорных трудов лучшим умам человечества удалось-таки создать формулу, описывающую движение велосипеда. Правда, пока без велосипедиста.

Если хорошенько разогнать своего «железного коня», то он проедет метров 30–50 и без седока. Как ему это удается?

Впервые над этим задумался французский математик Эммануэль Карвальо. В работе, опубликованной им еще в 1897 году, он попытался дать формулу устойчивости катящегося велосипеда. Однако его работу коллеги не приняли.

И впоследствии математики не раз пытались описать формулами устойчивость катящегося велосипеда, выдвигая для объяснения его устойчивости разные гипотезы. Самая достоверная такова: велосипед без седока не теряет устойчивости, поскольку его колеса работают по принципу гироскопа.

Недавно группе математиков из США, Нидерландов и Великобритании удалось перевести эту формулировку на язык цифр. Из 28-страничной статьи под названием «Линеаризованная динамическая стабилизация для баланса и устойчивости велосипеда» следует, что устойчивость движущегося велосипеда зависит от диаметра его колес, скорости их вращения, расположения центра тяжести велосипеда и еще 17 параметров.

Какой, собственно, прок от этого исследования миллиардам велосипедистов? Профессор Руни, возглавлявший работу группы, лишь выразил надежду, что сделанные им и его коллегами расчеты помогут решить проблему устойчивости, например, двухколесных шасси для роботов.

ПОДРОБНОСТИ ДЛЯ ЛЮБОЗНАТЕЛЬНЫХ
Шило на мыло…

Я слышал, что сейчас через Интернет можно вести операции не только по купле-продаже тех или иных товаров, но и проводить разного рода обменные операции. Насколько это удобно и выгодно?

Андрей Суриков,

г. Санкт-Петербург

Такой способ обмена удобен уже тем, что для его осуществления можно связаться с партнером хоть на другом краю света. Что же касается результатов, то вот вам одна история…

Канадец Кайли Макдональд начал с того, что поменял большую пластиковую скрепку на шариковую ручку в виде рыбы. Для этого он создал сайт, где любой желающий мог узнать новости о ходе меновых операций.

Затем ручка-рыбка была обменена на дверную ручку в виде улыбчивого человечка. Эту вещицу Макдональд обменял на мангал для барбекю. Далее мангал Кайли поменял на генератор, который был отдан за бочку пива, а та – за снегокат. И пошло-поехало…

Вы заметили, что с каждым разом К.Макдональд получал все более дорогую вещь? Однако вовсе не потому, что он сказочно везучий. Кайли организовал это везение собственным трудом. Во-первых, при обмене он не ленился и съездить к хозяину вещи, чтобы осмотреть собственными глазами, что ему предлагают. Во-вторых, отремонтировав барахлящий генератор и обменяв его на бочку пива, он не поскупился и выставил ту бочку нее кой теплой компании, среди которых были и канадские телевизионщики.

В итоге компания, оценив подарок, по существу подарила Кайли снегокат. А телевизионщики еще и сняли об этом сюжет, сделав Макдональда своего рода национальным героем.

Приведя в порядок снегокат, Кайли без особого труда обменял его на грузовичок. Тот тоже, впрочем, пришлось ремонтировать. Зато потом грузовик удалось выгодно сбыть владельцам студии звукозаписи в Торонто. Те дали за машину 30 часов бесплатной работы в их студии. Канадец с некоторым трудом, но все же нашел, кому сплавить и этот товар – начинающей певице, которая взамен предоставила свой дом в Колорадо.

Правда, дом предоставили Макдональду всего лишь на правах аренды, точнее, для бесплатного проживания в течение года. Но и это немало, если вспомнить, что жилье по существу досталось Кайли всего лишь за пластиковую скрепку…

Впрочем, посчитав накладные расходы, канадец понял, что бесплатным сыр бывает лишь в мышеловке. Но тут, на его счастье, занятной историей заинтересовался Голливуд, который пообещал щедро заплатить за право ее экранизации. Так что, глядишь, хеппи-энд этой истории уже не за горами.