В далеких 20-х годах ХХ столетия начал формироватся новый раздел физики – квантовая электроника. Открытие физических принципов квантовой электроники считается одним из самых выдающихся достижений науки прошлого века.
Помимо того что квантовая физика сама по себе захватывающая наука, так еще вкупе с науками о материалах она является одним из наиболее применяемых разделов физики, ответственных, по некоторым оценкам, за 35 % ВВП в технологически развитых странах.
Начиная с 50-х годов ХХ века ученые создают новые материалы и продукты, используя необычные квантовые свойства микромира. Особенно наглядно это проявляет себя в электронике.
Посмотрите вокруг себя - вы используете устройство для чтения электронных книг, у вас есть мобильный телефон, портативный компьютер, телевизор – все эти привычные для нас технологичные устройства используют квантовые технологии.
Смартфоны и Компьютеры
Современный смартфон содержит множество квантовых технологий от экрана и флэш-памяти до навигационных GPS – технологий и процессора.
С чего мы начнем? Свет и цвет, которые вы видите на экране, являются результатом рекомбинации электронов и дырок, энергия которых равна энергии фотона света на соответствующую длину волны. Это происходит независимо от использования технологии жидкокристаллических или OLED - экранов-и то, и другое влияет на генерацию светодиодного света. Внутренний компьютер и биты памяти основаны на полупроводниковой теории движения волновых частиц в полупроводниковом кристалле. Камера представляет собой массив датчиков, каждый из которых собирает электрические заряды, вызванные фотонами света. Встроенный компас основан на электронных спинах. Время, показываемое вашим телефоном, зависит от атомных часов. Почти все материалы, используемые в вашем телефоне, разработаны с использованием знаний квантовой физики для получения нужного свойства. Это особенно верно для динамиков, которые издают звук и полагаются на специальные наноструктуры для получения магнитных свойств. Не будет преувеличением назвать ваш телефон устройством, созданным из прикладной квантовой физики.
По сути, вся компьютерная индустрия построена на квантовой механике. Современная полупроводниковая электроника опирается на зонную структуру твердых объектов. По сути, это квантовое явление, зависящее от волновой природы электронов, и поскольку мы понимаем эту волновую природу, мы можем манипулировать электрическими свойствами кремния. Смешивание лишь крошечной доли нужных других элементов изменяет зонную структуру и, следовательно, проводимость; мы точно знаем, что добавить и сколько использовать, благодаря нашему детальному пониманию квантовой природы материи.
Наложение слоев кремния, легированного различными элементами, позволяет нам создавать транзисторы в нанометровом масштабе. Миллионы таких элементов, собранных вместе в единый блок, составляют компьютерные чипы, на которых работают все технологические устройства, столь важные для современной жизни. Настольные компьютеры, ноутбуки, планшеты, смартфоны, даже мелкая бытовая техника и детские игрушки управляются компьютерными чипами, которые просто невозможно сделать без нашего современного понимания квантовой физики.
Лазеры и телекоммуникации
Источниками света, используемыми для передачи сообщений по оптоволоконным кабелям, являются лазеры, представляющие собой образцовые квантовые устройства.
История создания лазера берет свое начало в далеких 20-х годах прошлого столетия. Именно тогда формировался новый раздел физики – квантовая электроника. Открытие физических принципов квантовой электроники считается одним из самых выдающихся достижений науки прошлого века, а вершиной этого достижения, безусловно, является создание лазера.
Лазер или оптический квантовый генератор — это устройство, преобразующее энергию накачки (световую, электрическую, тепловую, химическую и др.) в энергию когерентного, монохроматического, поляризованного и узконаправленного потока излучения. атом в высокоэнергетическом состоянии, сталкиваясь с фотоном нужной длины волны, вынужден излучать второй фотон, идентичный первому.
Другое вдохновение Эйнштейна
В 1916 году Альберт Эйнштейн разработал теорию, лежащую в основе работы лазера, известную как теория вынужденного излучения. Отсюда и название лазера, laser, акроним от light amplification by stimulated emission of radiation «усиление света посредством вынужденного излучения»...
Каждый раз, когда вы используете лазер, будь то косвенно, совершая телефонный звонок, напрямую сканируя этикетку UPC на ваших продуктах, вы практически используете квантовую физику.
Атомные часы и GPS
Одно из наиболее распространенных применений смартфонов, подключенных к Интернету, — это поиск направлений в незнакомых местах, еще одно приложение, которое критически зависит от квантовой физики. Навигация смартфона обеспечивается Глобальной системой позиционирования, сетью спутников, каждый из которых транслирует время. Приемник GPS в вашем телефоне принимает сигнал от нескольких часов и использует разное время прибытия от разных спутников, чтобы определить ваше расстояние от каждого из этих спутников. Затем компьютер внутри приемника вычисляет единственную точку на поверхности Земли, которая находится на таком же расстоянии от этих спутников, и определяет ваше местонахождение с точностью до нескольких метров.
Это основано на постоянной скорости света для преобразования времени в расстояние. Свет движется со скоростью около 0,304 метра в наносекунду, поэтому точность синхронизации спутниковых сигналов должна быть очень хорошей, поэтому каждый спутник в созвездии GPS содержит ансамбль атомных часов. Они основаны на квантовой механике: «тиканье» часов — это колебание микроволн, вызывающее переход между двумя конкретными квантовыми состояниями в атоме цезия (или рубидия в некоторых часах).
Каждый раз, когда вы используете свой телефон, чтобы добраться из пункта А в пункт Б, путешествие становится возможным благодаря квантовой физике.
Спасибо за внимание!
Все фото взяты с Яндекса в свободном доступе