Процессор на лапу

Меньше года назад «КТ» писала о том, что ученым удалось разгадать тайну удивительных лап гекконов, которые позволяют им висеть на единственном пальце даже на стеклянном потолке (#462). Одной из научных групп в Манчестерском университете уже удалось создать первые образцы липкой ленты, упрощенно копирующей лапы этих ящерок.

Лапы геккона имеют миллионы гибких щетинок длиной несколько десятков микрон, на которых расположены сотни отростков с лопаточками размером до полумикрона. Правильная ориентация относительно неровностей позволяет этим лопаточкам цепляться практически за любую поверхность благодаря слабым межатомным силам притяжения Ван дер Ваальса.

Новая липкая лента, которая изготавливается с помощью заимствованного из микроэлектроники процесса литографии, покрыта множеством волосков из гибкого полиамида длиной два и толщиной две десятые микрона. Квадратный сантиметр поверхности, на котором насчитывается сто миллионов волосков, способен удержать один килограмм груза. При этом ленту, как и лапу геккона, легко отлепить, если аккуратно потянуть за краешек — тогда угол сцепления кончиков волосков с поверхностью превысит критический. Ученые продемонстрировали, как лента удерживает тяжелую куклу человека-паука на стеклянном потолке. Удержала бы и человека, но пока нужный кусок стоит слишком дорого.

Подобная липкая лента будет иметь массу приложений. Поскольку она не содержит клея и не оставляет следов при отклеивании, ею можно закрывать раны при хирургических операциях. Перчатки из гекко-ленты позволят альпинистам и монтажникам уверенно чувствовать себя на высоте. Даже автомобильные покрышки с новым покрытием будут надежнее держаться за дорогу.

Пока новой ленте еще далеко до лапы геккона. Квадратный метр покрытия стоит несколько десятков тысяч долларов, а после нескольких приклеиваний лента теряет свойства из-за слипания щетинок. Геккон же пользуется своими лапами всю жизнь, и совершенно бесплатно. Но ученые продолжают активно работать, чтобы догнать матушку-природу, создавшую свои удивительные творения за миллионы лет эволюции. — Г.А.

79 электронов

Группе ученых из университета Райса и лабораторий Белла впервые удалось в реальном времени проследить за перемещением отдельных электронов. Эти эксперименты открывают новые возможности по использованию спина электрона для кодирования кубитов — единиц информации в квантовых компьютерах будущего.

Эксперименты проводились при температурах, близких к абсолютному нулю. На сверхтонком слое арсенида галлия была выращена квантовая точка — небольшая (диаметром около 300 нанометров) проводящая область, которая может содержать до нескольких тысяч электронов. У квантовой точки есть четко выраженные энергетические уровни, что делает ее очень похожей на атом. Точку окружили несколькими золотыми проводниками, с помощью которых создали круговое электростатическое поле. Это поле задавало значение энергетического барьера, управлявшего движением электронов в квантовую точку и из нее.

Вокруг всего этого хозяйства поместили так называемый детектор на одноэлектронном радиочастотном транзисторе RF-SET. Это сверхчувствительное устройство было предложено всего несколько лет назад. Работая подобно AM-радиоприемнику, оно позволяет судить о количестве электронов в квантовой точке по модуляции амплитуды отраженных от нее радиоволн. Ученым удалось так настроить аппаратуру, что они могли уверенно определять, например, 79 или 78 электронов крутится в квантовой точке. Время измерения — по сравнению с предыдущими экспериментами — уменьшилось на три порядка. Кроме того, подобрав значение энергетического барьера, можно было замедлить движение электронов и детально проследить за процессом их перемещения. — Г.А.

Фундаментальный недовес

Физики озабочены. В эталоне килограмма — гире высотой и диаметром 39 миллиметров, отлитой еще в 1889 году из платиново-иридиевого сплава, не хватает пятидесяти микрограмм. Это меньше крупинки соли, но грозит большими трудностями в согласовании точных измерений. Недовес, обнаруженный в результате очередного сличения Международного эталона с одной из его восьмидесяти копий, подстегнул интерес к давней проблеме эталона массы.

Куда делись эти микрограммы, уже, наверно, не узнать. Скорее всего, просто стерлись от многолетнего употребления. О возможности таких неконтролируемых и невосполнимых изменений специалисты предупреждали давно. Обсуждаются и два возможных варианта замены эталона массы более точным и надежным. Однако сначала Международная комиссия мер и весов, созданная еще в 1875 году, должна убедиться, что новый эталон лучше прежнего — а вот с этим пока большие сложности.

По мере развития экспериментальной техники, открытия новых физических эффектов и изобретения новых, более точных приборов система первичных эталонов меняется. Килограмм, пожалуй, единственная из семи базовых единиц системы СИ, которая сохранила свое определение с XIX века, а не основывается на квантовых эффектах и фундаментальных физических константах. Например, единица времени (секунда) вместо 1/31556925,9147 части тропического 1900 года с 1967 года стала определяться по цезиевым атомным часам. А в 1983 году единицу длины (метр) вместо эталонной платиново-иридиевой линейки стали определять по единице времени, попросту постулировав точное значение скорости света в вакууме.

Килограмм давно предлагают определить, задав число атомов в кристалле какого-нибудь химического элемента. Но пока не удается достичь нужной точности. Трудно вырастить идеальный кристалл, трудно подсчитать в нем количество атомов, поскольку это число из двадцати пяти цифр. В немецком центре мер и весов в Брауншвейге работают с шаром из кремния-28, благо полупроводниковая промышленность хорошо научилась выращивать качественные кремниевые кристаллы. Особо чистый (99,99%) изотоп кремния немцы заказывали на одном из наших секретных заводов, центрифуги которого раньше использовались для разделения изотопов урана.

При другом подходе предлагается определить килограмм с помощью так называемых обращенных ампер-весов. В них вместо одной из гирь устанавливаются две катушки. Через них пропускают электрический ток, что создает определенную силу, которую и нужно уравновесить. А ток можно вычислить, основываясь на квантовых эталонах вольта и ома. Однако этот метод очень сложен и требует точного знания множества параметров, включая силу земной гравитации в месте нахождения лаборатории.

Пока специалисты затрудняются сказать, какой из двух конкурирующих методов лучше. Впрочем, можно и вовсе обойтись без привычного килограмма, поступив с ним примерно так же, как с метром. Известная формула E=mc2 позволяет выразить массу в единицах энергии, а уж в естественных квантовых эталонах единиц энергии, например при переходе с одного атомного уровня на другой, недостатка нет. — Г.А.