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!
Кандидатом физико-математических наук В. Петрашовым (ИФТТ АН СССР)
создан новый метод анализа чистоты металлов. Он основан на свойстве особого типа электромагнитных волн - геликонов - затухать в ряде металлов пропорционально концентрации в них примесей. Метод пригоден для анализа чистоты всех металлов, в которых обнаружено распространение геликонов лития, натрия, алюминия, калия, золота, свинца и других. Его чувствительность повышается с возрастанием чистоты металла. Отсутствие контакта с анализируемым веществом позволяет вести измерения, когда образец находится в запаянной ампуле.
На основе явления затухания геликонных волн создана аппаратура и для определения свободного пробега электронов проводимости (некое подобие сверхпроводимости) в рекордно чистых металлах при температуре жидкого гелия.
А сами геликоновые волны - это затухание электромагнитных волн, испускаемых плазмой заряженных частиц. Это опять же попытка рассмотрения чистых металлов как чего-то, что сродни вакууму. Ведь только в вакууме появляется подобная плазма.
Исследования чистых металлов могут привести к появлению нового направления науки и техники - металлической электроники, металлотроники.
Речь идет о создании направленных пучков электронов в металле и управлении ими, подобно тому как это делается в электронной вакуумной лампе.
Ведь в известном смысле металлический образец высокой степени чистоты подобен вакууму для электронов проводимости. Ясно, что металлотроника резко повысила бы эффективность - быстродействие - вычислительных и управляющих систем.
Сейчас эта идея уже не кажется фантастической. Эксперименты с такими чистыми металлами, как индий и висмут, с длиной свободного пробега электронов более пяти миллиметров, выполненные в Институте физики твердого тела доктором физико-математических наук В. Цоем, доказали возможность фокусирования электронов проводимости внутри металлического образца и управления их траекториями с помощью магнитного поля.
Основными элементами для новейшей ветви микроэлектроники металлической электроники - могут стать микромостики, изготовленные путем локального утоньшения до одного микрона массивных металлических кристаллов особой чистоты.
Микромостик - это, по сути, узкий, длиной сто микрон "мост", соединяющий два металлических монокристалла.
Когда была сооружена первая ЭВМ на электронных лампах, оказалось, что вес у нее весьма солидный - тридцать тонн! Соответственно занимала она зал в сто пятьдесят квадратных метров.
Современная микроЭВМ, превосходящая первую и по быстродействию, и по объему памяти, напоминает солидную книгу. По размерам, не более.
Металлотроника - еще только в процессе исследований и становления.
Время точных характеристик еще впереди. Но можно с уверенностью предсказать: металлотроника-новый революционный скачок в электронной технике.
Железо растет!
Что сплавы железа при нагревании расширяются - далеко не новость.
Известна и величина теплового расширения - до двух процентов. Но вот ученые Днепропетровского металлургического института берут заготовку из железа, нагревают - и она начинает расти. Длина ее буквально на глазах увеличивается вдвое, втрое, в пять раз!
