n-типа, то потечет ток. Дырки в материале p-типа будут двигаться от положительного напряжения к границе между двумя материалами, и электроны n-типа будут двигаться от отрицательного заряда тоже к границе. Когда эти два потока встретятся, электроны, текущие к границе от материала n-типа, заполнят дырки, текущие к ней от материала p-типа. В это время новые электроны будут подталкиваться в материал n-типа на конце с отрицательным напряжением, в то время как электроны выходят на конце с положительным напряжением, создавая новые дырки. Этот процесс может продолжаться бесконечно, и ток будет легко течь через место соединения.
Если вы поменяете местами напряжения, ситуация будет сильно отличаться. Отрицательное напряжение, приложенное к материалу p-типа, будет втягивать положительные дырки прочь от границ, в то время как положительное напряжение на материале n-типа также втягивает в него электроны. Это создает очень короткий ток, поскольку материал реорганизует сам себя, но в отсутствие источника новых электронов, ток прекратится.
Итак, в то время как полупроводники с примесями сами по себе не особенно интересны, соединение между полупроводниками p-типа и n-типа создает нечто новое и действительно очень интересное. Комбинация этих двух материалов создает диод – прибор, который позволяет току течь лишь в одном направлении. Это находит применение в повседневных технологиях, в основном в качестве защиты компонентов, которые могут выдерживать ток, протекающий лишь в одном определенном направлении. При правильном выборе полупроводниковых материалов электроны, рекомбинирующиеся с дырками на границе между материалами, будут излучать фотон, чья частота будет определяться полосой провала в энергии полупроводника. Такие светоизлучающие диоды (LED[204]) использовались для ламп с низким потреблением энергии в часах и других приборах десятилетиями. Самые последние улучшения в технологии LED[205] сделали их необходимыми деталями компьютерных дисплеев и бытовых осветительных приборов. LED также могут использоваться как основа для лазера в печатающих устройствах, при этом лицевая и обратная стороны полупроводникового чипа используются как «зеркала» для лазерной выемки (как описано в главе 5). В результате получается мощный источник лазерного света, упакованный в пространстве габаритами около сантиметра, и такие источники используются для считывания и записи данных в оптических системах хранения данных (таких, как CD, DVD и Blu-ray плейеры), сканерах товаров в супермаркетах и лазерных указках и много чего.
Движение электронов и дырок в диоде для по-разному приложенных напряжений. Отрицательное напряжение в полупроводнике n-типа толкает электроны к границе, где они комбинируются с дырками, выталкиваемыми от положительного напряжения на полупроводнике p-типа, что дает постоянное течение тока по мере поступления новых электронов в n-типе и из p-типа. Изменение знаков напряжения тянет электроны к положительному напряжению и дырки – к отрицательному, оставляя обедненный участок на границе и останавливая течение тока.
Добавление третьего слоя материала, когда тонкий слой полупроводника p-типа кладется между двумя слоями p-типа как в сэндвиче, создает еще более интересный прибор. Этот трехслойный набор выглядит как два диода, сложенные «спина к спине» и с правильным подбором уровней примесей для различных слоев. Нужно приложить относительно маленькое напряжение между одним концом и серединой, чтобы запустить гораздо более сильный ток от другого конца через середину. Количество тока зависит от напряжения: чем больше напряжение, тем сильнее ток. Этот прибор называется транзистором, ключевым компонентом всех вариантов электрических усилителей. «Транзисторное радио», самая современная технология 1950-х годов, использует компактные транзисторы для усиления электрических токов, чтобы работали усилители, вместо громоздких и горячих вакуумных ламп, использовавшихся в радиоприемниках до того. Это позволило создать первые переносные, питающиеся от батарей и мощные аудиоплейеры, подготавливая почву для Walkman'ов и iPod'ов, вплоть до вездесущих смартфонов сегодняшних дней.
Если вы конструируете электронику с использованием лишь двух уровней напряжения, а не плавно меняющийся уровень аудиосигнала, транзистор будет функционировать как цифровой переключатель – ток или течет, или не течет – и это является критически важным элементом для компьютерных процессоров. Целый ряд транзисторов может быть использован для того, чтобы представлять числа в двоичной форме, и более сложные контуры транзисторов могут выполнять математические операции на этих числах.
Это основа современной компьютерной технологии. Первые электронные компьютеры общего назначения были построены в 1940-х годах, и строились они на большом количестве вакуумных ламп. Вскоре после изобретения первого транзистора в 1947 году[206]полупроводниковые транзисторы начали заменять вакуумные лампы, сначала как отдельные компоненты, а затем в «интегрированных контурах», где множественные электронные компоненты встроены в единый блок кремния. Это делается варьированием примесей в различных слоях материала, так что они оказываются расположенными так, чтобы получились транзисторы, затем в этом материале прорезают углубления, и получаются транзисторы с размерами стороны в несколько нанометров[207].
Один чип размером в сантиметровый квадратик может содержать миллиарды взаимосвязанных транзисторов, организованных в контуры, которые нужны для обработки двоичных данных. Эти полупроводниковые «чипы» гораздо более компактны и требуют меньше электрической мощности, чем вакуумные лампы, и они быстро стали стандартом для электронной обработки данных.
Управляющий компьютер «Аполлона», о чем говорилось в начале этой главы, был одним из самых ранних компьютеров с интегрированными контурами[208], и с тех пор производительность основанных на транзисторных микросхемах компьютеров экспоненциально возрастала до той точки, когда немного устаревший смартфон обладает во много раз большей вычислительной мощностью, чем нужно для высадки человека на Луну, причем все это в приборе, легко помещающемся в кармане.
Вся эта основанная на полупроводниках мощность вместе с LED, которые обеспечивают работу экрана дисплея, и мощными транзисторами, которые усиливают звук, стала возможной с помощью квантовой механики. Понимание, как волновая природа электронов ведет к появлению структуры энергетических полос с пробелами в большом собрании атомов и как эта структура может управляться для изменения электрических свойств материала, считается ключевым для конструирования не только наших лэптопов и настольных компьютеров, но также для компьютеров, какие можно найти практически везде в наши дни, от холодильников до машин и тостеров. Современное представление об электронах как волнах, чье поведение управляется знаменитым уравнением Шрёдингера, и склонность этих волн занимать сразу множество состояний, так же как и печально известный кот, вот что в конечном счете позволяет нам превратить довольно скучные в принципе кусочки кремния в революционную технологию.
Глава 9Магниты – как, черт возьми, они работают?
Я открываю холодильник, чтобы начать завтрак, стараясь при этом быть аккуратным и не сдвинуть множество предметов искусства, прикрепленных к двери холодильника магнитиками.
Сила между двумя магнитами или между магнитом и куском металла считается одним из наиболее увлекательных примеров фундаментальной физики, как для молодых, так и для старых. Одной из наиболее популярных игрушек в дни моего детства был конструктор из пластиковых фигурок простых форм, которые могли соединяться за счет магнитов по сторонам; почти каждый день из них создавались новые интересные конструкции. Местный научный музей выстраивал длинные линии с помощью гигантского подковообразного магнита и нескольких пригоршней стальных шайб, и взрослые наравне с детьми пытались понять, какой длины можно вытянуть цепь из шайб, присоединив их к одному из полюсов магнита. В действительности, магниты – это притягательные врата для входа в физику. Эйнштейн вспоминал, как захватывал его воображение компас, когда он был ребенком, удивляясь невидимым силам, которые всегда тянули иглу назад к северу. Это подталкивало к размышлениям о природе этого явления, продолжавшимся всю жизнь. В моих воспоминаниях о детстве есть, например, попытка заставить небольшой магнит левитировать над набором больших магнитов[209]. Восхищение не пропадает даже у взрослых, и игрушки на магнитном столе стали распространенным явлением на факультетских кафедрах в отделениях физики повсюду.
Какими бы они ни были знакомыми, все же известно, что действие магнитов сложно объяснить. Часто показывают клип из шоу 1980-х, в котором прославленный физик Ричард Фейнман[210] категорически заявлял: «Я действительно не могу объяснить магнитные силы в терминах чего-нибудь, с чем вы лучше знакомы, потому что я не понимаю это в терминах чего-нибудь, с чем вы лучше знакомы»[211]. Менее интеллектуальный пример можно привести из песни 2009 года «Чудеса», в которой клоунская группа рэпперов Insane Clown Posse спровоцировала тысячи неуспешных попыток объяснить работу магнитов строчкой: «Долбаные магниты, как они работают?» [212]
Может показаться странным, что так широко распространенное явление, что мы используем, чтобы прикрепить рисунки детей на кухне к бытовой технике, так трудно объяснить нетехническим языком, но физика действительно крайне сложна и зависит от тонких деталей микроскопической структуры материалов, состоящих из частиц. И конечно же – как вы, возможно, догадались, – это сводится обратно к квантовому миру: постоянные магниты, которые мы используем для крепления бумажек на дисплей, были бы невозможны без спинов и принципа запрета Паули.