Хвильовий діод - багатообіцяюча технологія, проте поки тільки в теорії

( 1 Голосів, Всередньому: 5,00 із 5 )
П'ятниця, 20 травень 2011

хвильовий діодВчені представили теоретичну модель пристрою, що є хвильовим діодом. Ця конструкція проводить світлові, звукові та теплові хвилі тільки в одному напрямку. Розробники вважають, що цей хвильовий діод буде корисний при створенні тепло-, світло- і звукоізолюючих покриттів, а також пристроїв для направленої передачі світлових імпульсів.

Недавно італійським фізикам, схоже, вдалося наблизитися до розв'язання однієї із глобальних проблем сучасності. Вони розробили схему хвильового діода, що працює зі світловими та акустичними хвилями. Правда, поки ця розробка існує тільки у вигляді теоретичної моделі...

Як відомо, діод - це такий пристрій, що дозволяє електричному струму текти тільки в одному напрямку. У зворотну сторону діод не пропустить електромагнітні хвилі ні за які пряники. Завдяки цій властивості діоди поряд із транзисторами на даний час становлять основу сучасної електроніки. Зокрема, вони широко використовуються для перетворення змінного струму в постійний (точніше, в односпрямований пульсуючий).

Також широко поширені так звані лампові діоди. Вони являють собою радіолампу із двома робочими електродами, один із яких підігрівається ниткою розжарення. Завдяки цьому частина електронів залишає поверхню розігрітого негативно зарядженого електрода (катода) і під дією електричного поля рухається до позитивно зарядженого — аноду. Якщо ж поле раптом з якихось причин змінить свою спрямованість, то зворотного струму не буде.

Отже, завдяки цій унікальній властивості електричні діоди використовуються зараз практично скрізь: у генераторах струму, у теле- і радіоприймачах, комп'ютерах, мобільних телефонах і. т. п. Однак багато фізиків вже давно говорили про необхідність розробки пристрою діодного типу, що міг би забезпечувати проведення в одну сторону будь-яких хвиль, у тому числі й теплових, звукових і світлових. Проте, до недавнього часу це завдання не вдавалося вирішити навіть на теоретичному рівні, не кажучи вже про те, що б втілити дану розробку на практиці.

Перші успіхи на даному напрямку досліджень належать американським фізикам. Чотири роки тому з'явилася стаття в Science, у якій повідомлялося про створення такого пристрою на основі вуглецевих нанотрубок і таких же циліндричних структур з нітриду бору. Справедливості заради треба сказати, що цей тепловий діод був мікроскопічним (його розмір складав кілька нанометрів). Однак, як і було передбачено розробниками, він проводив теплові хвилі тільки в одному напрямку.

В 2009 році японським вченим вдалося сконструювати схожий пристрій, щоправда, з іншого матеріалу. Вони використовували досить рідкісний у земній корі мінерал перовськіт, що є нічим іншим, як титанатом кальцію (CaTiO3). Цей мінерал, названий на честь російського мінералога Л. А. Перовського, у невеликих кількостях зустрічається в талькових і хлоритових сланцях, а також породах вулканічного походження на Уралі, у Тіролі (Австрія), у Швейцарії, і у Фінляндії. Цікаво, що цей рідкісний на поверхні мінерал, проте, судячи з усього, є одним із найпоширеніших на нашій планеті, оскільки, за розрахунками вчених, мантія Землі на 80% складається з перовськіта, отже, на нього припадає близько половини загальної маси нашої планети.

Група японських фізиків під керівництвом професора Кобаясі виготовила пристрій, що складається із двох шарів різних видів перовськіта. Обидві модифікації даного мінералу характеризуються тим, що їхня теплопровідність залежить від температури. При цьому один із шарів при високій температурі відрізняється більш високою теплопровідністю. Виходить, що дана конструкція дійсно аналогічна будові напівпровідникового діода, що складений з елементів з різним типом домішок, що забезпечують різну електропровідність у різних частинах пристрою.

За словами розробників, їхня розробка може застосовуватися для створення охолоджувальних систем комп'ютерних процесорів, а також у гіпотетичних термокомп’ютерах - обчислювальних системах, де переносником інформації буде виступати не електрика, як у звичайних машинах, а теплова енергія. Єдине, що поки заважає широкому виходу перовськітових теплодіодів на масовий ринок - це висока вартість сировини, тобто перовськіту. Адже цей мінерал дотепер так і не навчилися виготовляти в лабораторіях, а в земній корі, як було сказано вище, він надзвичайно рідкісний.

Проте, досягнення японських фізиків надихнуло італійських учених Стефано Лепрі та Джуліо Казаті на побудову теоретичної моделі хвильового діода, здатного проводити в одну сторону випромінювання будь-якого типу. Він являє собою тришаровий пристрій, з боків якого знаходяться блоки з матеріалу, по якому хвилі поширюються лінійно. У центрі ж є ділянка, матеріал якої, навпаки, є нелінійним, тобто при проходженні крізь неї властивості хвилі (наприклад, амплітуда коливань) змінюються не безперервним чином, а ніби ривками, дискретно при переході від одного шару до іншого.

З погляду розробників даної моделі, така асиметрична структура і дозволить пристрою працювати як діоду, тобто пропускати хвилю тільки в одному напрямку. Для підтвердження своїх висновків вони розрахували проходження крізь нього світлової монохроматичної світлової хвилі (тобто хвилі з постійними в часі частотою, амплітудою та початковою фазою). Розрахунки показали, що в одну сторону ця хвиля проходить вільно, а от в іншу вже ні.

Більше того, з'ясувалася ще одна цікава річ. Вчені, проаналізувавши результати свого уявного експерименту раптом зрозуміли, що на виході із пристрою хвиля зберегла свою монохроматичність, тобто її частота та амплітуда практично не змінилися. Це підтвердило їхнє припущення про те, що розроблений ними пристрій є саме діодом - оскільки всі напівпровідникові діоди, проводячи струм, не змінюють його основні характеристики.

Поки що розробники й самі не уявляють, який матеріал зможе підійти для того, аби втілити їхню модель у реальність. Не виключено, що це буде той же самий перовськіт або вже випробувані вуглецеві нанотрубки. Проте, вони вважають, що хвильові діоди в найближчому майбутньому будуть широко затребувані, оскільки на їхній основі можна буде створити тепло-, світло- і звукоізолюючі покриття, а також пристрої для спрямованої передачі світлових, акустичних і теплових імпульсів. Залишилося лише сконструювати даний прилад, однак, швидше за все, це відбудеться досить швидко - адже між теоретичною моделлю першого теплодіода та практичною реалізацією даної ідеї пройшло менше чотирьох років...

 

 

За матеріалами: pravda.ru