Нанонауки. Невидимая революция - Кристиан Жоаким

МЭМС образовали маленькую — и не очень вместительную — иерархию самых мелких деталей и механизмов пока еще микронного масштаба: производились дорожки, насосы, клапаны, пружины, зажимы, зубчатые передачи с микрометровыми шестернями — речь шла уже о десятых долях микрометра (1 мкм = 1000 нм; 100 нм = 0,1 мкм). Подобные механизмы порой приводятся в движение электрическими моторчиками размером с красное кровяное тельце. МЭМС применяются в печатающих устройствах — в тех узлах, которые разбрызгивают красители, наносимые на бумагу; для управления миниатюрными зеркалами в видеопроекторах или для повышения быстродействия джойстиков, применяемых в видеоиграх. Сегодня МЭМС трудятся в фотоаппаратах, видеокамерах, часах, кардиостимуляторах и на них приходится 20–40 % стоимости современного автомобиля. Желающим примеров можно указать на датчики давления в кондиционерах и системах обеспечения внутреннего климата в конторских помещениях, на измерители силы торможения, на индикаторы уровня топлива в бензобаке и на сенсоры надувных подушек в автомобилях (в самых «навороченных» моделях устанавливается до шести различных измерителей ускорения).

Высокие достоинства МЭМС очевидны. Они благоденствуют, продолжая извлекать выгоды из прогресса литографии, о котором печется могучая старшая сестра — микроэлектроника, располагающая и исследовательскими лабораториями, и ресурсом для освоения лабораторных новинок. К примеру, кремний производится в виде брусков толщиной в 100 нм, то есть в тысячную долю толщины волоса, но длина бруска — 100 мкм. Увеличим эту мелкоту до привычного нам масштаба: пусть длина бруска равна метру. В таком случае его толщина будет равна миллиметру — понятно, что в нашем мире это невозможно (брусок сломается под собственной тяжестью).

Но в мире расстояний, измеряемых микрометрами, такие бревна или прутья (или микрорычаги) существуют и при этом не только не ломаются, но даже не гнутся. Правда, они колеблются, и частоты этих колебаний весьма высоки. Эти вибрации вызываются тяжелыми молекулами: когда некая молекула усаживается на микробрусок, частота его колебаний меняется, и нетрудно догадаться, что изменение частоты определяется массой чужой молекулы. Важно не замерить эту массу (массы молекул давно известны), но заметить ее присутствие. А колебания микробруска (точнее, изменение этих колебаний) помогают опознать именно вот эту молекулу среди миллиона других молекул.

Производственные методики, освоенные микроэлектроникой и породившие МЭМС, взбудоражили и биологию. Заговорили о невиданных приборах для невозможного прежде биохимического анализа, нацеленного на крохотки, именуемые молекулами ДНК, и пользующегося подобными же молекулами. Для производства такого оборудования применяли фотолитографию по кремнию и прикрепление нитей ДНК к кремниевой поверхности. Сегодня уже есть кремниевые приборчики с 300 тысячами спиралек ДНК. Эти устройства способны обнаруживать в геноме поломки, вызывающие наследственные болезни, и распознавать вирусы. Однако пока что требуется большая предварительная работа: нужна кропотливая подготовка тех участков ДНК, которые предполагается изучать. Представляется выгодным объединить все этапы исследования в одном месте, на одной и той же молекуле или группе молекул, чтобы сразу же получить все данные о цепочке атомов (о капле крови или воды, скажем). Речь, иначе говоря, не о том, чтобы принести какие-то крохотки в лаборатории, а о том, чтобы создать малюсенькие, но самые настоящие лаборатории.

И ученые принялись придумывать такие крохотные лаборатории, в которых можно было бы анализировать мельчайшие частицы, например капельку крови. А это означало, что нужно было строить крошечные сепараторы, химические реакторы, ферментёры, датчики и как-то увязывать всю эту мелкоту с построением электрических схем из проводников много тоньше волоса. Дополнительное затруднение налицо: надо еще как-то доставить упомянутую капельку к этим самым проводникам. В таком масштабе расстояний уже очень ощутимы поверхностные явления, и взаимодействие капельки со стенками сведется к тому, что капелька просто не сможет пройти через промежуток в стенках — она «приклеится» к ним. Знатокам микрогидравлики пришлось мучиться с микроклапанами — устройствами, в которых электрическое поле помогает капле просочиться через микроканал.

Вернемся пока к электронике с ее интегральными схемами и транзисторами. Мы уже говорили о токах утечки, превращающихся в транзисторах размером 65 нм в досадную неприятность. А если размер уменьшается до 20 нм и более того — а именно такие сейчас разрабатываются в лабораториях, — то все становится еще хуже! Транзисторы отказываются работать. И не потому, что неправильно сделаны, — дело в архитектуре самого транзистора. Уж слишком малы расстояния, электроны неминуемо отрываются от управляющего электрода — и попадают в канал транзистора. Чтобы предупредить такие утечки, инженерам приходится пускаться во все тяжкие, выдумывая цирковые трюки и с пониманием (теоретической моделью) транзистора, и с его производством. Сегодня уже можно наладить крупносерийное производство транзисторов размером в 45 нм, правда, требуется не менее четырех этапов технологического процесса. А дальше что? Электроны станут разбегаться как крысы с тонущего корабля при малейшем признаке опасности: словом, так или иначе, дальнейшая миниатюризация транзисторов надолго затормозится. На таких расстояниях в любой электрической реакции появляется квантовая составляющая, и, значит, поведение маленьких электрических проводников становится непредсказуемым, поскольку квантовые явления имеют вероятностную природу. Иначе говоря, вся микроэлектроника, та, что была до недавнего времени, приобретает неузнаваемый облик.

Но что это за квант такой, без которого почему-то человечество сегодня не в силах обойтись? В 1900 году немецкий физик Макс Планк предположил, что в мире «внизу», то есть на очень малых расстояниях, изменение энергии происходит не непрерывно, как в макроскопическом мире, а скачками или порциями. Вот этот кусочек энергии, на который уменьшается или увеличивается ее текущее значение, он и назвал квантом. Приращение или падение энергии обязательно кратно некоему числу — кванту (или количеству действия); это число — универсальная, одна и та же для всей Вселенной константа, и называется она постоянной Планка. Поэтому, если электрон, например, входит в некоторый атом, его энергия не может быть какой угодно, она квантована, то есть какие-то значения энергии для него запрещены — их просто не может быть, потому что не может быть никогда. Чтобы как-то объяснить эту ступенчатость или прерывистость энергии, ученые начала XX века не нашли ничего лучшего, кроме сопоставления электрона с волной. Атом удерживает свой электрон — и электрон сидит себе в атоме, как в ловушке. Или как гвоздь в ящике. Только это не гвоздь, а волна. Не всякая волна поместится в ящике: она же будет отражаться от его стенок, и потому длина волны не может быть какой угодно: вот, гитара, например, — это же ящик со струнами, правда? Каждая струна издает одну и ту же ноту (звуковое колебание одной и той же частоты). Меняя натяжение струны, прижимая ее к грифу, можно изменить звук, но непроизвольно — и у разных струн при одном и том же зажиме изменение длины волны будет разным (в ящике — акустическом резонаторе — не всякая волна «поместится»). Вот так и электрон: его энергия в малюсенькой коробочке атома не может быть какой угодно. Другое следствие волновой природы электрона еще удивительнее: нельзя точно указать место, где внутри атома находится этот самый электрон. Существует только вероятностная локализация, то есть мы способны узнать лишь вероятность нахождения электрона в том или ином месте.

Итак, электрон — одновременно и волна и частица. Эта идея вызвала настоящую бурю в физике твердого тела: оказалось, что с приближением одного из трех размеров объема твердого тела (длины, ширины или высоты) к длине волны, ассоциируемой с электроном, начинают проявляться квантовые эффекты. Они заметны уже в крупных транзисторах, но там подобные феномены смазывались большим количеством атомов: квантово-волновые явления, производимые отдельным атомом, складывались с такими же явлениями, генерируемыми другими атомами, и часто гасили друг друга, так что на суммарный эффект можно было не обращать внимания. Это похоже на большой оркестр, в котором каждый инструмент выводит свою ноту независимо от других инструментов; в результате получается не мелодия, а какой-то беспорядочный шум, даже не обязательно громкий.

В очень маленьких устройствах не так: квантовые явления уже не компенсируют друг друга. Из их изучения родилось новое направление — мезоскопическая физика. Размеры подобных приборчиков находятся в пределах от нескольких десятков до нескольких сотен нанометров. Значит, они где-то в промежутке между атомными и макроскопическими расстояниями, отсюда приставка мезо-, посредине, а счет атомов идет на миллионы. Следовательно, в мезофизике квантовые волны электронов (или ассоциированные с электронами) еще путаются, то есть гасят («маскируют») друг друга. Однако здесь, в отличие от макроскопического оборудования, один из факторов путаницы уже не действует. В итоге, когда величина прибора становится меньше свободного пробега электронов (так называется среднее расстояние, преодолеваемое электроном за время между двумя столкновениями), вероятность столкновения с вибрациями атомов падает, словно бы у электронов не остается времени на взаимодействие с себе подобными. И эти колебания атомов уже не компенсируют друг друга, а выступают единым фронтом: словно бы есть одна-единственная волна, колебание, соответствующее большому количеству электронов, — как будто бы из душераздирающей какофонии расстроенного оркестра родился некий аккорд, силы которого хватило, чтобы заставить все инструменты оркестра звучать в унисон.