Лауреаты Нобелевской премии по физике за 2009 год

6 октября 2009 года Нобелевский комитет объявил очередных лауреатов Нобелевской премии по физике:

• Чарльз Као (Charles K. Kao) — британский ученый китайского присхождения, работает в научной лаборатории английского города Харлоу (Standard Telecommunication Laboratories) и в Китайском университете Гонконга [1/2 премии].

• Джордж Смит (George E. Smith) и Уиллард Бойл (Williard S. Boyle) — американские ученые из лаборатории Белла (Bell Laboratories) в городе Мюррей-Хилл в американском штате Нью-Джерси [по 1/4 премии].

Чарльз Као

Премия присуждена Као за "выдающиеся достижения в области передачи света по оптоволоконному кабелю".

В XIX веке были известны только 2 способа передачи информации на большие расстояния: по проводам и с помощью радиоволн. Однако пропускная способность этих каналов очень ограничена. Поэтому физики решили исследовать световые импульсы. Первую попытку передать телефонный разговор с помощью света совершил Александр Белл в 1880 году. Его фототон с помощью дрожания зеркала превращал звуковую волну в модулированный солнечный луч, передаваемый прямо по воздуху. Устройство имело ряд недостатков: информация была подвержена световым шумам и могла передаваться только в пределах прямой видимости. Очевидно, что для качественной работы устройства световой луч нужно было передавать по защищенному от внешних помех каналу.

Таким каналом может служить оптоволокно — тонкая и гибкая стеклянная нить в оболочке, проводящая свет за счет явления полного внутреннего отражения. Свет не может выйти за пределы оптоволокна, отражается и передается дальше. Однако использование в начале XX века обычного стекла оказалось невозможным из-за его слабой прозрачности (убедиться в этом можно самому, если смотреть сквозь торец вдоль стекла). В первой половине XX века даже в самых чистых стеклах свет быстро затухал, при этом коэффициент коэффициент затухания был равен примерно 1000 дБ/км. Оптоволокно применялось только для небольших расстояний, например, в медицине для эндоскопии.

В 1960-е годы молодой инженер китайского происхождения Чарльз Као, незадолго до этого защитивший диссертацию в Лондонском университете, решил разобраться в причинах слабой прозрачности стекла. Вместе Г. А. Хокэмом (G. A. Hockham) Као исследовал свойства стекла и пришел к выводу, что его прозрачность ухудшают примеси. Као предсказал, что если устранить эти примеси, то коэффициент затухания составит всего несколько дБ/км! Наименьшим коэффициентом затухания, по мнению Као, будет обладать кварцевое стекло. Ученый активно пропагандировал оптоволоконные технологии.

Сейчас исследователи смогли получить материалы с рекордной прозрачностью — с коэффициентом затухания менее 0,2 дБ/км. Это даже ниже, чем спрогнозировал Као. Минимальное поглощение приходится на длины волн 1,3 мкм и 1,55 мкм. Именно на этих частотах и работает оптоволоконная связь.

Джордж Смит, Уиллард Бойл

Премия присуждена за изобретение прибора с зарядовой связью (ПЗС). Это изобретение широко используется в цифровой фотографии, а раньше получение цифровых фото было длительным и трудоемким процессом. Изображение фотографировали, печатали фото, сканировали его и получали файл, который затем обрабатывали. Изобретенная Смитом и Бойлом ПЗС-матрица сразу давала цифровое изображение, пригодное для обсчета.

Бойл и Смит являлись сотрудниками знаменитой лаборатории Bell Labs и получили задание создать устройство для хранения и считывания информации, которая сохранялась бы в виде микроскопических «облачков заряда».

Ученые взялись за работу 17 октября 1969 года и буквально в течение часа начертили прототип требуемого устройства с зарядовой связью. Главным элементом устройства является простая МОП-структура («металл—оксид—полупроводник»), состоящая из слоев металла (на него может быть подано напряжение), изолятора и полупроводника p-типа, в котором носителями заряда являются "дырки". Наличие облачка электронов будет означать единицу информации, а его отсутствие — ноль.

Чтобы "дырки" не поглотили свободные электроны, на металлический электрод МОП-структуры подается положительное напряжение. Дырки убегут прочь, а электроны — останутся.

А как считать информацию? Если напряжение исчезнет, дырки сразу же поглотят свободные электроны. Поэтому Бойл и Смит изобрели так называемую зарядовую связь. Смысл ее в том, что помимо основных ячеек, несущих информацию, имеются и вспомогательные (они чередуются с основными). Для хранения информации напряжение сперва подается на основные ячейки, потом на все, затем только на вспомогательные. При этом "ловушки для электронов" перемещаются на одну ячейку, и за ними следуют электроны. Таким образом, все заряды могут смещаться к крайней ячейке. В этой ячейке стоит устройство, которое просто считывает поступивший заряд-информацию. Так цикл за циклом обрабатывается весь массив данных.

Как появилась информация на ПЗС-матрице? Она возникается там самостоятельно под действием света при фотографировании. Полупроводник обладает светочувствительностью, поэтому при облучении образуются пары электронов и "дырок". Электроны оседают в "ловушках", а дырки уходят. Следовательно, в ячейках накапливается заряд, пропорциональный поглощенному световому потоку.

Конечно, современные цифровые фотоаппараты и видеокамеры устроены намного сложнее, умеют различать цвета и избегать переполнения "ловушек для электронов", но общий принцип работы остался все тот же — изобретенный Бойлом и Смитом.

Подготовлено по материалам Elementy.ru.

Ранее: Нобелевская премия по физике за 2008 год.