Скрытые шестерёнки: как четыре квантовых эффекта собрали ваш смартфон

В 1947 году в Bell Labs Джон Бардин и Уолтер Браттейн продемонстрировали первый работающий транзистор (точечно-контактный) в группе, которой руководил Уильям Шокли. Устройство, получившее название "точечно-контактный транзистор", могло усиливать сигнал: слабый ток на одном контакте управлял сильным током на другом.

Но чтобы понять, почему он вообще работал, инженерам пришлось нырнуть в мир, где электроны описываются не как миниатюрные шарики, а волновой функцией, которая определяет вероятность их обнаружения в той или иной области пространства. В мире, где квантовые объекты имеют ненулевую вероятность оказаться по ту сторону барьера. Мир, где привычные законы физики уступают место вероятностным предсказаниям - и при этом становятся точным инструментом расчёта. Этот мир реален. Без него не работал бы ни смартфон, ни лазер, ни МРТ.

Четыре квантовых явления, открытых в разное время и первоначально далёких от практики, сегодня объединились в устройстве, которое мы носим в кармане, и без них оно осталось бы лишь фантазией.

Где прячутся "запретные этажи" в процессоре

В кристалле кремния электроны не могут иметь произвольную энергию. Их разрешённые состояния, как показал Блох в 1928 году, собираются в энергетические зоны - как этажи в доме. Между этажами - область энергий, где в идеальном кристалле стационарных электронных состояний нет. Запрещённая зона.

У меди или серебра зоны перекрываются - много свободных состояний, ток течёт легко. У кремния - иначе: при низкой температуре нижние этажи забиты, верхние пустуют. Чтобы электрон перешёл на свободный этаж, нужна дополнительная энергия - например, от нагрева или приложенного напряжения. Для кремния при комнатной температуре ширина запрещённой зоны составляет около 1,1 эВ.

Инженеры добавляют в кремний фосфор или бор, получая области с избытком электронов или с их нехваткой. На стыке - p-n переход, основа полупроводников. Без квантовой механики вы бы не читали этот текст.

Как электроны проходят сквозь стены

Флеш-память - следствие квантового туннелирования. Эффект описали Гамов (и независимо Гёрни с Кондоном) в конце 1920-х. Оппенгеймер применил его к ионизации атомов в сильном электрическом поле (туннельная ионизация).

У квантового объекта волновая функция не обрывается на границе барьера, поэтому существует ненулевая вероятность обнаружить его по другую сторону преграды, которую классическая частица с той же энергией преодолеть не может. В ячейке флеш-памяти есть "плавающий затвор" - проводник, изолированный тонким слоем диоксида кремния. Подбирая толщину барьера, инженеры заставляют электроны туннелировать на затвор (запись) и обратно (стирание). Без напряжения они остаются там годами. Идею плавающего затвора предложили Канг и Ши в 1967. Сейчас в телефоне миллиарды таких ячеек.

Способность квантового объекта просачиваться через барьер, которая для классической частицы была бы непреодолимой стеной, используется для записи и хранения информации, и в вашем смартфоне таких ячеек миллиарды.

Лазер: когерентный свет из квантового перехода

В 1917 году Эйнштейн предсказал вынужденное излучение: возбуждённый атом под действием фотона с энергией, равной разности уровней, испускает второй фотон - с той же частотой, фазой, поляризацией и направлением. Так формируется когерентное поле.

Для работы лазера нужна инверсия населённостей - больше электронов на верхнем уровне, чем на нижнем. Её создают накачкой (ток, другой лазер, вспышка). Зеркала образуют резонатор, где свет усиливается. Первый рубиновый лазер сделал Мейман в 1960. Сегодня лазеры режут металл, читают диски, делают операции и передают интернет по оптоволокну.

Предсказанное Эйнштейном вынужденное испускание легло в основу лазера, и сегодня когерентный свет передаёт интернет по оптоволокну, режет металл и помогает хирургам проводить тончайшие операции.

МРТ: спин протона как магнитный волчок

У протона есть спин - внутренний магнитный момент. Для протонов водорода спин может занимать два энергетических состояния относительно внешнего магнитного поля. Разность энергий между этими состояниями пропорциональна напряжённости поля. Для протона характерная частота перехода (ларморовская частота) составляет около 42,58 МГц на каждый тесла.

Радиоимпульс на этой частоте вызывает резонансное поглощение - спины меняют проекцию. После импульса спины возвращаются назад, испуская радиосигнал. Затухание этого сигнала характеризуется временем T2, а восстановление исходного состояния - временем T1. По этим сигналам компьютер строит изображение. ЯМР открыли Блох и Пёрселл в 1945-46. МРТ позволяет видеть опухоли и повреждения без разрезов.

Магнитный момент протона, реагирующий на радиоимпульс и возвращающийся обратно с испусканием сигнала, дал врачам возможность заглянуть внутрь тела без единого разреза, и это, возможно, один из самых дружелюбных подарков квантовой физики медицине.

Квантовая механика - это не магия

Квантовая механика - формализм, предсказывающий поведение вещества в атомных масштабах с точностью, недоступной классической физике. Туннелирование, зонная структура, вынужденное излучение, спиновый резонанс - расчёты совпадают с экспериментом. Попытка полностью объяснить работу транзистора, флеш-памяти, лазера или МРТ только законами Ньютона и классической электродинамикой окажется недостаточной. Природа оказалась устроенной иначе - и это позволило построить технологии, которыми мы пользуемся каждый день.