Компьютерра - Журнал «Компьютерра» № 20 от 29 мая 2007 года
То, что некоторые алюминиевые сплавы могут эффективно разлагать воду, известно давно. Это происходит потому, что добавочные компоненты таких сплавов препятствуют образованию окисной «брони». В течение последних десятилетий было сделано немало попыток создать на основе таких сплавов генераторы водорода. Однако эти сплавы, как правило, содержат добавки в виде редких и очень дорогих металлов, что сильно повышает себестоимость конечного продукта. Кроме того, такие добавки могут препятствовать контакту атомов алюминия и кислорода и тем самым снижать скорость диссоциации воды.
Разработчики нового метода утверждают, что им удалось преодолеть эти трудности. Их технология основана на реакции, которую еще сорок лет назад открыл руководитель коллектива Джерри Вудолл (Jerry Woodall), ныне заслуженный профессор Школы электрических и компьютерных технологий Университета Пэдью. В 1967 году он случайно заметил, что горячий жидкий сплав алюминия и галлия при контакте с водой вызывает бурное образование водорода. Тогда этот результат его не слишком заинтересовал, поскольку для нагрева сплава требовалось слишком много энергии. Однако в ходе последующих исследований Вудолл обнаружил, что вода хорошо разлагается, если ее пропускать через слой мелких твердых гранул, изготовленных из этого сплава. При этом галлий выполняет двойную роль. С одной стороны, он усиливает реакционную способность алюминия, а с другой – препятствует возникновению оксидных пленок. Возникающая окись алюминия просто смывается с поверхности гранул и накапливается в отстойнике. Очень важно, что при этом не образуется токсичных веществ.
Можно предположить, что сплав Вудолла при контакте с водой не создает на поверхности прочную окисную пленку из-за того, что галлий инертнее алюминия и практически не реагирует с кислородом при нормальной температуре. Поэтому вода проникает к атомам алюминия беспрепятственно. Такое возможно лишь при правильном подборе композиции сплава. Все дело в том, что атомы алюминия не должны быть настолько связаны с атомами галлия в решетке, чтобы потерять свою способность к реакции с водой.
Профессор Вудолл полагает, что со временем автомобили можно будет заправлять обычной водопроводной водой и подавать ее в газогенератор. По его расчетам, общий вес алюминиево-галлиевых гранул, обеспечивающих горючее для 500-километрового пробега среднего легкового автомобиля, не превысит полутора сотен килограммов. Правда, в настоящее время полученный таким образом горючий газ еще не может конкурировать с бензином. Хотя галлий очень дорог, этот металл практически не реагирует с водой и может вновь и вновь извлекаться из отходов (кроме того, массовое применение новой технологии скорее всего приведет к появлению более дешевых способов получения галлия). Однако нынешняя стоимость алюминия такова, что полученное с его помощью водородное горючее себя не окупает. Тем не менее Вудолл полагает, что алюминий удастся значительно удешевить посредством усовершенствования технологий его электролитического восстановления из окиси с использованием электричества, произведенного ветровыми турбинами или ядерными станциями.
Предложенная методика, конечно, не решит энергетические проблемы человечества, но если надежды исследователей оправдаются – поможет уменьшить объем вредных выхлопов, по крайней мере в местах сосредоточения автомобилей (не следует забывать, что большую часть электроэнергии мы по-прежнему получаем из ископаемого топлива). АЛ
Спинтронные пулиСпинтронное устройство на основе кремния впервые удалось изготовить физикам из Университета штата Делавэр в Ньюарке и Кембриджской фирмы NanoTech. Ученые «впрыснули» электроны с одинаково ориентированным спином в слой кремния и управляли ими в полупроводнике. Эта демонстрация возможностей кремния делает появление спинтронных компьютеров еще на один важный шаг ближе.
По сути дела, одно спинтронное устройство уже давно стоит в каждом ПК – это обыкновенный винчестер. В нем информация хранится в виде определенной намагниченности участков рабочего слоя, которая в свою очередь формируется за счет преимущественной ориентации спинов электронов, входящих в магнитный слой ферромагнетиков, таких как железо и кобальт. Эта ориентация хорошо сохраняется, что и позволяет надежно хранить информацию. Однако многообещающая идея использовать спин вместо или вместе с зарядом электрона для обработки информации пока еще далека от современных компьютеров.
Основные компоненты спинтронной логики уже созданы и активно исследуются, но они, как правило, используют дорогой арсенид галлия. Кремний почти идеально подходит для спинтроники, поскольку в нем спин электрона сохраняет свою ориентацию особенно долго. Кроме того, хорошо отработанная технология массового производства кремниевых чипов гораздо дешевле. Но беда в том, что электроны с определенной ориентацией спина очень трудно «впрыснуть» в кремний. Их легко получить, пропуская ток сквозь тонкий слой намагниченного проводника. В этом слое электроны с ориентированным в противоположном направлении спином тормозятся и рассеиваются, а со спином «правильной» ориентации, напротив, легко проходят. Такой же слой можно использовать на выходе из кремния для измерений. Но на границе между кремнием и ферромагнетиком электроны теряют свою поляризацию.
Эту трудность удалось преодолеть, применив быстрые баллистические электроны, разогнанные в туннельном контакте перед магнитным сплавом из железа и кобальта толщиной 5 нанометров. Этот поляризующий слой располагался на кремниевой пластине толщиной 10 микрон, в которую быстрые электроны пролетали, как пули, без потери ориентации спина. В кремнии спин электронов можно было крутить с помощью внешнего магнитного поля, а на выходе еще один тонкий намагниченный слой из железа и никеля пропускал электроны только с совпадающей ориентацией спина. Измеряя ток сквозь такой бутерброд можно было надежно судить, что же в нем происходит.
К сожалению, пока эксперименты проводились лишь при низких температурах (-188 градусов Цельсия) для снижения тока утечек. Первоочередной задачей ученых теперь будет демонстрация кремниевых спинтронных устройств, работающих при нормальной температуре. ГА
Плазмонный холодильникНовый способ лазерного охлаждения полупроводников предложил теоретик из Университета Джонса Хопкинса в Балтиморе Джейкоб Хургин (Jacob Khurgin).
На первый взгляд очень странная идея задействовать лазерный свет для охлаждения чего бы то ни было, на самом деле не является ни странной, ни новой. В основном лазер используют в научных лабораториях для охлаждения отдельных атомов до сверхнизких температур. Вариаций тут много, но механизм охлаждения обычно везде одинаков. Частоту света лазера выбирают так, чтобы энергия его фотонов была чуть меньше характерной энергии спонтанного испускания атомов. Тогда, поглотив фотон, возбужденный атом затем излучает фотон с чуть большей энергией и за счет этой разницы в энергиях постепенно охлаждается.
В твердом теле похожий механизм удалось реализовать для охлаждения стекол с примесями иттербия и других редкоземельных элементов. Но все попытки сделать что-то похожее в полупроводниках до сих пор терпели фиаско. В полупроводнике поглощенный фотон, как правило, создает пару из электрона и дырки, которая редко рекомбинирует с испусканием фотона с большей энергией. Наоборот, чаще излучаются фотоны с меньшей энергией, а разница нагревает кристаллическую решетку материала. Кроме того, излученный фотон часто вновь поглощается материалом, что ведет к дополнительному нагреву.
В новом способе охлаждения слой полупроводника нужно расположить вблизи поверхности металла с вакуумным зазором около десяти нанометров. В такой слоистой конструкции могут существовать так называемые поверхностные плазмоны-поляритоны – кванты коллективных колебаний электромагнитного поля и свободных электронов в металле. Как подсчитал теоретик, пары из электрона и дырки в полупроводнике тогда смогут рекомбинировать, испуская вместо фотона такой экзотический плазмон-поляритон, который с вероятностью 99,9% поглотится именно в металле. Таким образом, энергию из слоя полупроводника можно будет перекачивать в металл, который уже придется охлаждать обычным кулером.
Расчеты показывают, что если в качестве полупроводника взять нитрид галлия, а металлический слой сделать из серебра, то общая эффективность такого холодильника составит около трех процентов. А этого уже достаточно для практических приложений. Причем полупроводник будет охлаждаться непосредственно и сразу во всем своем объеме, что значительно снизит в нем вредные перепады температур.
