Он может работать быстрее
Хорошая память — это память с высокой плотностью записи, надёжно хранящая информацию, не требующая энергии для хранения, позволяющая быстро записывать и переписывать данные. А реализовать её можно по-разному. Вот, кстати, полупроводник Ge2Sb2Te5 — он бывает кристаллический и аморфный, с коэффициентом отражения 0,58 и 0,36 соответственно, а переводить его из одного состояния в другое можно нагревом лазером. Его используют как оптическую память, поскольку по отражению лазерного излучения от его поверхности можно узнать, в каком он состоянии, то есть — что записано, ноль или один. Причём изменения состояния, или фазы, обратимы, так что процесс записи/стирания можно повторять многократно. Поэтому Ge2Sb2Te5 применяют в перезаписываемых DVD (DVD-RW). Но с развитием технологий возникает вопрос: насколько быстро можно переключать этот материал из аморфного состояния в кристаллическое и обратно?
Сотрудники Института общей и неорганической химии им. Н. С. Курнакова РАН, МИЭТ, МГУ и НИЦ «Курчатовский институт» построили теоретическую модель нагрева плёнки этого полупроводника фемтосекундными короткими лазерными импульсами и провели эксперименты. Модель оказалась достаточно сложной, поскольку при таких коротких импульсах надо учитывать, что электроны отдают энергию решётке не мгновенно и «электронная температура» может отличаться от «решёточной».
В эксперименте плёнка Ge2Sb2Te5 имела толщину 0,2 мкм, лазер — длину волны 1,25 мкм (ближний инфракрасный диапазон), длина импульсов 1,35•10–13 с (135 фемтосекунд), их энергия 10–5 Дж, а плотность мощности на плёнке 0,1 Дж/см2. При облучении такими импульсами аморфная плёнка может быть нагрета до 410 К для кристаллизации, то есть записи информации, а кристаллическая — выше 880 К для аморфизации, то есть для стирания. Время остывания, определяющее скорость переключения состояний, находится в диапазоне от 10–10 до 10–9 с в зависимости от режима импульсного облучения, то есть на 2—3 порядка меньше, чем при использовании для нагрева непрерывного излучения.
Так что, даже если DVD-RW — уходящий формат, используемый в нём материал ещё не сказал своего последнего слова.
Колчин А. В., Заботнов С. В., Шулейко Д. В. и др. Кинетика обратимых фазовых переходов в тонких плёнках Ge2Sb2Te5 при фемтосекундном лазерном облучении. Оптика и спектроскопия, 2023, вып. 2, с. 145.
Предохранитель для токамака
Наверное, у всех в квартире есть электрический предохранитель: у кого-то в коридоре, у кого-то — на лестничной площадке. Оказывается, нужен он и в токамаке ИТЭР, который строится во Франции. Предохранитель такого рода делает там то же самое, что и всегда, — разрывает электрическую цепь при перегрузке, например при коротком замыкании. Но почему ему посвятили статью в серьёзном физическом журнале? Дело в том, что этому предохранителю предстоит работать в высоковольтных сильноточных импульсных цепях, что предъявляет к нему особые требования. Конкретно в ИТЭР он должен быть способен отключить ток амплитудой до 30 000 А, обеспечив надёжный разрыв электрической цепи с напряжением до 9000 В (испытания проводили на 16 000 В).
Проблема в том, что после срабатывания предохранителя и разрыва цепи высокое напряжение, которое раньше мирно поступало от источника в нагрузку, окажется приложено к контактам предохранителя. При этом между ними может произойти пробой и загореться дуга, в результате цепь не будет разомкнута. Попутно заметим, что пробой — вообще постоянная проблема мощных выключателей; на электрических подстанциях она обычно решается разведением контактов на большое расстояние, но это медленный процесс. Импульсные цепи требуют высокой скорости срабатывания.
Кроме того, в токамаке ИТЭР есть сверхпроводящие катушки, в которых при протекании тока накапливается большая энергия. При потере сверхпроводимости она должна быть из них выведена — иначе произойдёт перегрев и разрушение. Цепь для вывода энергии содержит конденсаторы, в которых может возникнуть пробой, тогда предохранитель разрывает цепь, не допуская дальнейшего разрастания аварии.
Сотрудники Научно-исследовательского института электрофизической аппаратуры им. Д. В. Ефремова сделали предохранитель из множества медных проволочек в изоляции. Аварийный ток 30 кА распределяется по ним равномерно, при этом проволочки испаряются за время порядка 1 мс. От зажигания дуги в образовавшихся парaх предохраняет определённая конструкция камер, куда поступают эти пары.
Забавно, что испаряющиеся медные проволочки оказываются последним инструментом защиты от аварии.
Еникеев Р. Ш., Сапожников К. С., Руденко А. А. Сильноточный высоковольтный предохранитель для защиты импульсных силовых цепей. Приборы и техника эксперимента, 2023, № 3, c. 46.
Причина молний — гравитация?
Для возникновения молнии между облаком и землёй нужна высокая напряжённость поля, нужны заряды на «электродах». Поскольку облако в целом нейтрально, в нём должен существовать механизм разделения зарядов — его наличие подтверждается молниями, наблюдаемыми внутри самого облака. Именно облако становится инициатором молнии, потому что в земле нет своего механизма разделения зарядов. Зато ёмкость Земли на много порядков больше, и она «подстроится» под облако.
Облако может быть рассмотрено как пылевая плазма — ионизированный газ, содержащий микроскопические частицы (пыль). Роль пыли в данном случае выполняют капли воды, а начальная ионизация создаётся космическими лучами, частицами с высокой энергией. В результате ядерной реакции космических лучей с ядрами молекул воздуха возникает ливень элементарных частиц (электронов, нуклонов, фотонов, мезонов), которые вызывают ионизацию молекул воздуха. На один первичный протон или нейтрон приходится до 109 образующихся пар отрицательных и положительных ионов.
В Объединённом институте высоких температур РАН построена модель процессов в пылевой плазме, которая предсказывает примерно следующий их ход. Отрицательные ионы имеют на четверть большие подвижность и коэффициент диффузии, чем положительные, поэтому микрокапли воды (характерный радиус 8 мкм, концентрация — 1 капля на кубический миллиметр) заряжаются отрицательно за счёт прилипания к ним большего числа отрицательных атмосферных ионов (средний заряд — 40 элементарных зарядов). Большие отрицательные капли внутри облака спускаются вниз под действием гравитации, оставшиеся мелкие заряжаются положительными ионами. Отрицательные капли, которые покинули облако, падают на землю. В холодную погоду большинство из них достигает поверхности, обеспечивая получение ею наблюдаемого на практике отрицательного заряда. В тёплую погоду часть испаряется по дороге. Испарение эффективно происходит на определённой высоте, на которой скапливается отрицательный заряд, связанный с молекулярными ионами. Этот заряд обеспечивает электрическое поле, под действием которого возникают молнии.
Для электризации не обязательно, чтобы среда содержала капли: аналогичные процессы могут происходить в пылевой плазме из твёрдых частиц. Такова среда в шахтах и в некоторых случаях — в воздухе, содержащем продукты сгорания твёрдого топлива. А также в кольцах Сатурна, заряженных солнечным ветром.
Смирнов Б. М. Генерация электрического поля в пылевой плазме. ЖЭТФ, 2023, вып. 6, с. 873.
