В сверхчистом металле электроны проводимости движутся удивительно свободно, не наталкиваясь на миллионы и миллиарды частиц примесей, на столь же многочисленные изъяны в структуре металла. Тем самым сверхчистый металл ведет себя почти как сверхпроводник. Своеобразная "сверхпроводимость" влечет за собой не только резкое снижение энергетических затрат, но она еще автоматически решает задачу борьбы с нагревом всех полупроводниковых приборов.
Полупроводниковые приборы при работе могут раскаляться буквально добела, и отвод тепла от них превращается в технически почти или вовсе нерешаемую проблему. При сверхчистых металлах эта проблема не возникает вовсе или, если и появляется, то в значительно более "мягком" выражении.
Далее. Непрерывно циркулирующий в электронной схеме поток информации (в любом виде - волна, заряд и т. д.) тоже наталкивается на множество препятствий в обычном металле. Очевидно, что в сверхчистом металле поток информации может путешествовать без помех.
Исследования, проведенные учеными Института физики твердого тела, во многом раскрыли поведение примесей в металле, их влияние на его характеристики. Были обнаружены места сбора "чужих" атомов, которых привлекают границы зерен металлов. Так, в конструкционной стали на границах зерен и вблизи от них примесей серы и фосфора собирается в пятьдесят раз больше, чем в среднем по объему. Два-три атомных слоя здесь почти полностью состоят из серы и фосфора. Именно поэтому при низкой температуре, в условиях зим Сибири и Крайнего Севера, эта сталь становится хрупкой, как стекло.
Для получения рекордно чистых металлов чаще всего применяют электронно-лучевую зонную плавку в высоком вакууме: при кристаллизации твердого вещества из расплава примеси остаются в остатках расплава. Кстати, еще в древности по такому же принципу из морской соленой воды зимой получали пресный лед.
В установке для электронно-лучевой зонной плавки пучок электронов направляют на узкий участок длинного металлического стержня. Ведя электронный луч вдоль него, медленно перемещают расплавленную зону, доводя ее до конца стержня,- здесь в оставшейся еще расплавленной зоне и собираются примеси. Неоднократное повторение процесса позволяет все более и более повышать чистоту металла.
Высоко котируется на мировом рынке продукция Новосибирского оловокомбината. В белом от пола до потолка цехе рафинировщицы обертывают в нарядную упаковку слитки, содержащие 99,9999 процента олова.
Мягкий и податливый на первый взгляд металл долгое время не хотел отпускать от себя своих многочисленных спутников (олову сопутствует чуть не вся таблица Менделеева). Избавиться от них было проблемой проблем.
Но в высоковакуумных электрических рафинировочных установках, в безвоздушном пространстве, упрятанном в стальную оболочку печи и создающем стерильные условия, при температуре свыше тысячи градусов примеси вскипают. Пары направляют в зону конденсации, откуда примеси сливают в приемник для отходов. А олово в результате этого процесса дистилляции обретает "неземную" чистоту. Впрочем, шесть девяток - не предел! На комбинате считают, что есть все возможности для очистки олова от посторонних примесей до миллионных долей процента. Массовое производство еще не знало такой высокой чистоты металлопродукта.
Последние годы чистые металлы получают из металлоорганических соединений. Технология этого метода изящна и проста. Металл умеренно нагревают в потоке окиси углерода.
Образуются карбонильные соединения атома металла с несколькими молекулами окиси углерода - угарного газа. Соединения эти газообразны и легко отделяются от содержащихся в исходном металле (или руде) примесей и балласта. Газ-соединение пропускают над поверхностью, нагретой до 100-200 градусов Цельсия. При соприкосновении с нею он распадается на металл и газ. Атомы металла осаждаются на поверхность, а газ улетучивается.
Какие же требования предъявляются к производству материалов высокой чистоты, выражаемой в процентах головокружительной десятичной дробью - с шестью, семью и более девятками после запятой?
Говорят, "мала пылинка, а глаз выедает!". При изготовлении материала высокой степени чистоты в атмосфере цеха допустимо содержание лишь нескольких пылинок размером не более микрона на кубический метр. Для чистого кристалла каждая коснувшаяся его пылинка смертельна, она постепенно и неумолимо погубит его. Поэтому производство чистых веществ полностью изолируют от внешней среды.
Необходимую чистоту и стерильность воздуха в рабочих помещениях обеспечивают управляемые компьютерами вентиляторы, пылесосы, кондиционеры... О важности этого оборудования говорит тот факт, что здание обычно конструируют, как слоеный пирог: один этаж - производственный, другой - инженерного обеспечения стерильности. Разветвленный, как спрут, пылесос опутывает своими трубами весь корпус.
Сохранить вещество в чистом виде не менее сложно, чем его очистить.
Один из путей поддержания достигнутой чистоты - хранение металла в условиях низких температур: в жидком азоте или даже в жидком гелии.
Новые лики микроэлектроники
В тонких кристаллических ферромагнитных пленках возникают магнитостатические волны, волны намагничивания. Сейчас исследуются и разрабатываются электронные устройства, основанные на возбуждении и распространении магнитостатических волн. Это приборы магнитоэлектроники.
Поиски путей дальнейшей миниатюризации электроники привели к исследованию влияния на их характеристики сверхнизких температур. Вспомнили о так называемом эффекте Джозефсона, предсказанном в 1962 году английским студентом Джозефсоном, впоследствии лауреатом Нобелевской премии.
Устройство - "джозефсоновский переход" - сконструировано из двух сверхпроводящих электродов, разделенных тончайшим (10-50 ангстрем)
слоем диэлектрика. В обычных условиях, даже при сверхнизких температурах, электрический ток через изолятор не протекает. Однако здесь благодаря сверхпроводящему состоянию электродов ток по изолятору возможен, и зависит он от электрических и магнитных полей, приложенных к переходу. Один или несколько таких переходов могут работать как детектор, усилитель, логический элемент или ячейка памяти.
Благодаря сверхпроводимости при температуре всего 4,2 градуса Кельвина такой прибор, работая, выделяет в десять тысяч раз меньше тепла, чем обычный транзистор. Он оказался находкой для разработчиков ЭВМ будущего. Ведь на полупроводники уже не надеялись: они потребляют слишком много энергии. Созданная на основе полупроводниковых интегральных схем ЭВМ размером с футбольный мяч должна выделять киловатт энергии за секунду. Такая ЭВМ работать бы не смогла - нет способа отвода столь Большого количества тепла. В то же гремя ЭВМ, построенная на сверхпроюдящей электронике, выделяла бы всего 0,1 ватта. В десять тысяч раз меньше!
Наиболее стабильны в работе джозефсоновские переходы с электродами из ниобия и других тугоплавких металлов.
Развитие методов литографии, вакуумной техники, применение тугоплавких металлов позволяет надеяться, что производство элементов вычислительных машин на основе переходов Джозефсона начнется в ближайшие годы.
Устройства сверхпроводящей электроники обладают высокой чувствительностью. На их основе сделаны особо чувствительные измерители магнитных потоков и полей, способные фиксировать магнитные поля не только сердца (магнитокардиография), но и мозга (магнитоэнцефалография). Кардиологи и нейрохирурги получили новый тонкий инструмент для исследований и практики.
Металл - это почти вакуум
Исследования на образцах металлов сверхвысокой чистоты способствовали прогрессу в изучении свойств электронов проводимости. Чтобы "поймать"
увеличение длины свободного пробега электронов, эксперименты проводили на монокристаллах с высокой степенью очистки от посторонних электрически активных примесей и при космическом холоде - температуре кипения гелия - и даже более низкой. Рекордный свободный пробег в восемь-десять миллиметров совершают электроны в сверхчистых образцах индия, выращенных сотрудниками институтов АН СССР. То есть чистый металл вел себя в известной мере как вакуум!