Микроскопическое

Я впервые увидел микроскоп, когда мне было 4. Бабушка привела меня на работу и показала мне микроскоп, а од микроскопом мой волос и свою каплю крови, размазанную по приборному стеклу. Я восхитился.

Картинка была почти чёрнобелой, контраст был не очень, резкость было непросто навести, а перспективы совсем было не видно. В последние годы всё больше цифровых микроскопов. Там к объективу приставлен на окуляр, а цифровая камера, а изображение выводится на экран. Во-первых это просто намного удобнее, во-вторых в добавку к оптическому увеличению используется программное. CCD камеры просто имеют разрешение повыше наших с вами глаз. А ещё есть в-третьих: вместо синей компоненты освещения используют ультрафиолет, что дополнительно повышает чёткость при большом увеличении. Очень существенно. Приборное стекло обычно можно прямо с компьютера как угодно двигать и поворачивать. В некоторых моделях делается дополнительная подсветка сверху-сбоку, чтобы рельеф был виден поживее. Или ещё круче — замерять расстояние до каждой точки картинки, получать высотный профиль и эмулировать освещение с любой нужной стороны. Измерение расстояний обычно делается при помощи параллакса, точно также как мы двумя глазами оцениваем расстояние. Только тут вместо двух глаз используется один, который чу-у-уточку вибрирует из стороны в сторону.

Вот например могучий аппарат: http://www.keyence.de/products/vision/microscope/vhx6002/vhx6002.php

Однако как ни крути, при большом увеличинии картинка становится размытой, это фундаментальное ограничение оптических микроскопов. И тут начинается область действия электронных. С недавних пор (последние лет пять-семь) сканирующие электронные микроскопы научились делать так, что они могут микроскопить что угодно в офигенном диапазоне мастшатбов. Причём их научились делать компактными, едва ли сильно больше оптических как этот вот выше. Очень может быть, что через пару лет мы увидим комбинированный прибор, позволяющий вначале наживулить место оптическим микроскопом, а потом детально рассмотреть его электронным. Но есть у электронного неудобство: перед тем, как его включать, надо загерметизировать камеру, заменить там газ на инертный (аргон обычно) и снизить давление примерно в десять раз. А потом получается офигенно. Вот так, так и так. На последнее изображение прошу обратить совершенно особенное внимание. Это предел разрешения SEM, и это офигенно. Там показана палочка 500 нм — это всего около 5000 атомов.

И тут мы переходим на следующую стадию — к микроскопам с атомарным разрешением. Вот тут за последние 30 лет произошла революция и она ещё не закончилась. Август 2009: фотография отдельной молекулы при помощи AFM: http://www.newscientist.com/article/dn17699-microscopes-zoom-in-on-molecules-at-last.html.

Сканировать с такой точностью умеют два типа устройств (STM и AFM), оба имеют основным элементом иголочку с очень тонким концом (и идеале единицы атомов), которую водят над поверхностью. В последние три года ведутся активнейшие работы по применению углеродных нанотрубок в качестве кончиков иглы. Они тонюсенькие (6-10 атомных размеров в диаметре на всём протяжении длины и ровно один атом на кончике), длиннющие (по атомарным размерам) и очень крепкие для своего диаметра. И ток проводят. Благодаря этому с ними будут изготавливать комбинированные приборы, сочетающие в себе AFM и STM. AFM может сканировать рельеф любых достаточно плоских объектов (наклон должен быть не больше 45-50°, больше ограничений практически нет), а комбинация AFM и STM позволяет точно определить тип каждого атома на дороге, и химический элемент и степень ионизации. Но даже это ещё не всё! В любой точке можно остановиться и провести там электронную и/или акустическую спектроскопию. Первое даст нам всю информацию об устройстве электронного газа (что интересно в случае полупроводников и сплавов), второе позволит проанализировать микроструктуру материала в прилежащем объёме.

Не исключено, что когда-нибудь все эти три универсальных прибора объединят в одном корпусе и будет у нас просто один «микроскоп», с непрерывным диапазоном увеличения от 1:1 до «с точностью до атома».

В следующем номере: микроскоп изучает поверхность, а изучение внутренности называется томографией. Томография чемодана, человека, отдельной клетки и наконец томография микрообразцов с атомарным разрешением.

Закон мура

Закон мура, кстати, похоже, в полной безопасности и надеяться на улучшение архитектуры мейнстримных процессоров вотще. Недавно IBM продемонстрировала графеновый транзистор, работающий на скорости 100 GHz, причём изготовить его можно по технологиям, не сильно отличающимся от общепринятых сейчас. Специалисты IBM уверенно утверждают, что уже через год смогут строчить такие транзисторы по 22нм технологии и предельная скорость переключения у них будет под 1 THz. Года через три по их словам технология будет готова к выходу на рынок. Как раз, когда Интел будет заканчивать играться с увеличением числа ядер. Тактовая частота графеновых процессоров сходу будет порядка 40-60 GHz, а затем сможет подняться до нескольких сотен.

Тем временем, кстати, не спят и спинтронщики. Они заместо транзистора всё изучают, как делать вентиль Фредкина. Поясняю идею: предположим у вас есть три тонких проводящих дорожки и по ним течёт ток. Дорожки в магнитном поле, соответственно электроны могут быть поляризованы в оном. И мы позаботимся, чтобы так оно и было, т.е. по каждой дорожке текли только электроны спина вверх или только вниз. Если по дорожке в данный момент течёт ток электронов со спином вниз, «на дорожке ноль», если вверх — «на дорожке единица».

Так вот. В каком-то месте две из этих дорожек переплетаются через хитрую молекулу, а третья «управляющая» идёт поперёк этой молекулы. Задача следующая: если на управляющей дорожке ноль, соединить входящие дорожки с исходящими прямо, а если единица — крест-на-крест. Получается такой обратимый (а значит, не греющийся!) спиновый транзистор размером в одну молекулу. Holy grail спинтроники, все пытаются такой сделать. Соединяя много таких фиговинок хитрыми комбинациями можно получить логическую схему любой сложности. Причём работать она будет на постоянном токе, одинаковом по всей схеме. На входе N дорожек и на каждой -n вольт, на выходе те же N дорожек и на каждой +n вольт, электроны текут по всем дорожкам неспешным равномерным потоком, не создавая никаких индуктивных или капацитивных потерь/помех. Единственное, что меняется — порядок спинов на входных и выходных дорожках. Работа устройства собственно следующая: на входные проводки подаются нули и единицы в соответствии со значениями ячеек памяти файла регистров и напряжениями на входных лапках процессора. Затем нужно подождать пару пикосекунд, пока ток пройдёт через логическую схему и на выходе образуется гомеостаз. Затем то, что на выходе, нужно сохранить в регистровый файл/выдать на выходные лапки процессора. Затем повторить. И так далее.

Если всё получится, процессоры станут офигенно маленькими (размер транзистора в 10-20 раз меньше), офигенно быстрыми (как минимум в тысячу раз быстрее нынешних) и офигенно экономичными (а это значит, их не надо будет охлаждать). Из недостатков можно назвать разве что то, что спонтанные поломки от попадания космического излучения/естественного радиационного фона будут чаще.