Память будет вечной

Доктор физико-математических наук Владимир Мухортов

Память компьютера станет сверхплотной и будет хранить информацию вечно. Мобильник подзарядит сам себя при движении его хозяина, а сотовая связь перейдет на частоты в 60 и 300 ГГц. Однако для этого необходимо создать то, что называется новая электроника. О том, каковы успехи ростовских физиков в этой сфере, автор этих строк расспросила Владимира Мухортова, заведующего лабораторией физики сегнетоэлектрических пленок в ФИЦ «Южный научный центр РАН».

— Можно поточнее обрисовать проблему, над которой вы работаете?

— Очередная, шестая по счету, научно-техническая революция закончилась созданием всемирной информационной системы. Программа следующей НТР всемирным сообществом ученых уже составлена на ближайшие 20 лет. Ее цель — познать среду, созданную людьми, и среду, которую мы называем природой, с тем, чтобы жить с ними в гармонии. Для выполнения этой задачи необходим мониторинг, который предполагает измерение химических, физических и, скажем так, общественных величин, которые эти среды характеризуют. Для этого требуются разнообразные датчики, причем их огромное количество. А чтобы они поставляли нам нужную информацию, они должны улавливать информацию не хуже тех, что существуют в природе.

— Пример, пожалуйста.

— Бежит по лесной поляне сороконожка женского пола, а представитель мужской особи сороконожек слышит «топот» ее ножек за 150 метров, чувствуя колебание почвы.
Ну и пример более сложный: выращивается культура микробов, помещается в чашку Петри и подкармливается. Потом выращенных микробов делят пополам и помещают в две чашки. Микробов в одной чашке возбуждают электрическим током, а микробы в другой чашке на это откликаются. Их разносят в разные концы комнаты, а потом и вовсе перевозят на другой континент через океан. При возбуждении током микробов в одной чашке в другой их собратья, те, что — за океаном, откликаются на это возбуждение.

— Какова же форма передачи сигнала, с которой мы в данном случае имеем дело?

— Пока не знаем. Но на приобретение такого познания нам отводится 20 лет. Все, повторюсь, упирается в датчики, которые преобразуют улавливаемые сигналы. Нам кажется, что мы изучаем окружающую природу, но на самом деле делаем случайный срез, случайную выборку, а в 20-летней перспективе это недопустимо: знания нужны достоверные.

— Так что же можно положить в основу датчиков, которыми будем измерять язык природы?

— В основе работы любого гаджета — вплоть до суперкомпьютера — лежит идея нелинейности p-n-перехода и соединения на основе трех базовых элементов — кремний, алюминий и золото. А далее — их комбинации.

Р-n-переход или электронно-дырочный переход — область соприкосновения двух полупроводников с разными типами проводимости — дырочной (p, от англ. positive — положительная) и электронной (n, от англ. negative — отрицательная). Электрические процессы в p-n — переходах являются основой работы полупроводниковых приборов с нелинейной вольт-амперной характеристикой (диодов, транзисторов и др.)

Но мы уже дошли до физического предела размещения полупроводников с этими комбинациями на единице поверхности. Нужно искать другие принципы, а значит, другие материалы. Наиболее перспективными считаются нелинейные диэлектрики — сегнетоэлектрики. Требование микроэлектроники таковы: они непременно должны быть в виде пленок на диэлектрических или полупроводниковых подложках. Такими пленками мы и занимаемся в нашей лаборатории.

Сегнетоэлектрики — это диэлектрики, обладающие спонтанной поляризацией, направление которой меняется от внешних воздействий.

— А как вы получаете эти пленки, которые, как понятно, должны быть сверхтонкими, наверно, толщиной с несколько атомов?

— В Гленновском центре НАСА пошли самым дорогим путем: они считают количество атомов, которые должны составить молекулу сегнетоэлектрика, для возбуждения облучают их электронами. Потом все это «падает» на подложку, при этом отслеживается точность полученной «конструкции». «Машинка», которая этим занимается, стоит около миллиарда рублей. Такие пленки получают уже лет 50, но нового устройства с их использованием нет ни одного, несмотря на то, что не существует ни одного университета в США, Канаде, Европе, Китае, Японии и т. д. где бы этой проблемой не занимались. А в России ею занимаются в двух местах — в нашей лаборатории ЮНЦ совместно с ЮФУ и в Московском государственном техническом университете радиотехники, электроники и автоматики.

— И вы, надо полагать, пошли иным путем?

— Проблема настолько сложна, что необходимо создать нечто почти живое. Мы пошли по принципиально новому пути — не стали механически «строить» пленку с помощью последовательности операций под контролем человека. Раз это сложная система, пусть она сама себя и создает, то есть, мы подсмотрели принцип «самосборки» у живой материи.

— Ну, и какие условия нужны для самоорганизации материи? Причем — неорганической!

— Люди привыкли видеть связь причины и следствия, а самоорганизованные системы так не работают. Их красота в том и заключается, что там нет четкой причинно-следственной связи. Такую систему можно создать, но вопрос — в следующем: в каких рамках будет проходить самоорганизация. За основу мы взяли газовый разряд, структурированный изначально. Но не обычный газовый разряд, а высокочастотный (вид газового разряда, возникающий в присутствии высокочастотного электромагнитного поля — прим. автора), в котором распыленное вещество будет существовать на кластерном уровне (кластеры — близко расположенные группы атомов, молекул, ионов, связанные ассоциативными связями — прим. автора). Далее начинается развитие этого кластера: доходя до подложки, он меняется, в определенный момент формируясь в пространственные структуры, называемые плазменными кристаллами. Но самая парадоксальная вещь: в этой среде частицы совершают не броуновское движение (беспорядочное — прим. автора), а выстраиваются в виде строгой кристаллической решетки с большими расстояниями между атомами. Научившись создавать такие системы, мы получили высочайшего качества пленки. В Воронеже нам сделали опытный образец установки — «Плазма-50 СЭ». Устройство довольно дорого, но в 50 раз дешевле, чем в США.

— С какими же веществами вы работали для получения таких пленок?

— Мы использовали кислородсодержащие соединения, например, ВаTiO3, а вообще-то можно использовать любые соединения.

— Созданные вами пленки могут сегодня найти применение?

— Могут — в «глазах» современных боевых машин. Для этого нужна фазированная антенная решетка (ФАР) сверхвысокого разрешения. Так вот мы научились делать основную часть этой ФАР.

— Странно, что наше военное ведомство до сих пор не заинтересовалось вашими разработками…

— Ничего удивительного: фундаментальные исследования, лежащие в основе всего того, что сегодня использует наша армия, были проведены еще до 1990-х годов. Расскажу вот еще о чем: мы научились изменять свойства одного и того же вещества, деформируя его кристаллическую решетку, причем эти свойства меняются так, что никакой заменой другим веществом этого не добьешься. Для продолжения этих работ мы получили грант РФФИ в три млн рублей.

— И все-таки, неужели вы ничего не можете предложить сегодня для внедрения в мирных целях?

— Можем — если, скажем, взять СВЧ-технику и все с ней связанное. Мы закончили еще одно исследования, дойдя до опытных образцов, и если кто-то сегодня займется производством этой техники на основе сегнетоэлектрических пленок, то у них не будет ни одного вопроса, на который мы не могли бы ответить. Второе направление — это датчики относительной деформации, которые позволяют измерять деформации в объектах на уровне 10 в  степени –12 .

— Даже трудно представить этот новый уровень!

— Да почему же — легко: бросьте на чугунную плиту шарик от пинг-понга, и мы измерим деформацию, полученную от их соприкосновения. А в настоящее время мы работаем над сегнетоэлектрической энергонезависимой памятью. Такая память — это мечта разработчиков: она позволит полностью отказаться от магнитного диска, она будет долговременно хранить информацию без потребления энергии, будет на несколько порядков превосходить по времени записи и считывания все известные аналоги. Такая память принципиально изменит всю архитектуру вычислительных комплексов в сторону простоты и надежности, объединив долговременную и оперативную и повысив быстродействие до фемтосекунд (одна квадриллионная доля секунды — прим.автора) при чрезвычайно высокой плотности записи.