Удивительная физика. Магия, из которой состоит мир - Феликс Фликер

и германия исходно нейтральны, то есть не имеют электрического заряда: они содержат другое количество электронов, нежели атомы кремния, но в то же время содержат и другое количество протонов, которые компенсируют заряд этих электронов. Поэтому, когда электроны и дырки начинают перемещаться и аннигилировать, после них остаются заряженные атомы примесей. В результате область n-типа вблизи границы между двумя половинами становится положительной, а аналогичная область p-типа – отрицательной. Это создает электрическое поле, препятствующее дальнейшему перемещению электронов и дырок. Такая заряженная зона вблизи границы называется обедненной областью.

Миграция зарядов напоминает мне об одной замечательной книге в жанре фэнтези, «Луде-туманном» (Lud-in-the-Mist, 1926) Хоуп Мирлиз. Описанная в ней страна Доримар во многом похожа на наши, но отличается тем, что граничит с землями эльфов. Местные жители по большей части стараются не слишком приближаться к границе: там происходят странные вещи, так как магия эльфов отчасти просачивается в наш мир. Вполне можно предположить, что в приграничной полосе по другую сторону наблюдается аналогичное влияние нашего мира на мир эльфов, которое кажется тамошним обитателям столь же магическим. Обедненная область подобна такой пограничной полосе между мирами.

Важность n-p-перехода связана с тем, что происходит при приложении к нему напряжения. На самом деле, при приложении напряжения в противоположных направлениях в нем происходят разные вещи. Подсоединим p-сторону к положительному полюсу батареи, а n-сторону – к отрицательному. Напряжение, создаваемое батареей, может частично компенсировать заряд, накопившийся в обедненной области. Эта область становится уже, все плотнее прижимается к границе. Чем выше напряжение, тем уже становится обедненная область и тем меньшим препятствием для течения тока становится ее электрическое поле, пока наконец при не слишком высоком напряжении ток может течь через весь переход. Однако при приложении напряжения в обратном направлении обедненная область становится не уже, а шире. Течение тока затрудняется еще сильнее: мир эльфов проникает в Доримар, и правящий эльфами герцог Обри, давно изгнанный из страны, вновь принимается мучить ее население своей злобной магией.

Транзистор развивает ту же идею. Простейший тип транзистора – это полупроводник с тремя чередующимися слоями разных типов, n-p-n. Как мы помним, к нему присоединены три контакта. Контакт А подключен к левой части (n), контакт Б – к средней (p), а контакт В – к правой (n). Если создать напряжение между контактами А и Б, барьер, препятствующий течению тока от А к В, уменьшится. Тщательный подбор разных концентраций примесей в двух областях позволяет получить искомый эффект – простое логическое условие: ЕСЛИ между контактами А и Б есть напряжение, ТО между контактами А и В может течь ток. Этот простой принцип лежит в основе всей современной вычислительной техники.

Отделение идеи от воплощения

Компьютеры не всегда были основаны на электронике. По одной из гипотез, одним из самых ранних предшественников компьютеров были кости с зарубками, которые использовались в качестве бирок или других математических пособий. В число примеров таких костей входят кость Ишанго (изготовленная приблизительно за 20 000 лет до н. э. и найденная на территории Демократической республики Конго) и кость Лебомбо (относящаяся к периоду порядка 40 000 лет до н. э. и найденная в горах между Южной Африкой и Эсватини). К одному концу кости Ишанго прикреплен острый кристалл кварца, делающий ее похожей на волшебную палочку; в одной из последовательностей зарубок есть группы из девятнадцати, семнадцати, тринадцати и одиннадцати штук, что заставляет предположить, что это могло быть пособие для вычислений на основе простых чисел. На кости Лебомбо двадцать девять зарубок: возможно, она имела отношение к числу дней лунного месяца. Имеющиеся данные не позволяют сделать окончательных выводов; также высказывалось предположение, что зарубки были сделаны просто для того, чтобы эти кости было удобнее держать в руке.

Абак определенно использовался для вычислений. Известны шумерские абаки с бусинами, которые двигались по стержням, созданные за 2700 лет до н. э. Умелый абакист мог быстро выполнять весьма сложные вычисления – например извлекать кубические корни. Абаки или счеты до сих пор используются во многих частях света; у меня есть счеты, доставшиеся мне по наследству от дедушки. Гораздо таинственнее «Антикитерский механизм», созданный около 100 года до н. э. в Греции. Считается, что это была механическая модель Солнечной системы, предназначенная для вычисления дат затмений и других астрономических событий. Это устройство содержит невероятно сложную систему шестерней; нам не известна ни одна система сравнимой сложности, созданная вплоть до изобретения часового механизма, который появился на целых 1500 лет позже.

Это подводит нас к тому заклинанию деления, при помощи которого мы, возможно, могли бы найти средство обойти закон Мура: нужно отделить идею компьютеров от их электронного воплощения. Полупроводники реализуют логические операции, отделяя положительные заряды от отрицательных. Может быть, мы сможем найти некое новое состояние материи, которое разделяет не электрические заряды, а нечто другое?

Возможно, естественно будет обратиться к ближайшему родственнику электричества – магнетизму.

Заряды и полюса

Хотя у электричества и магнетизма есть много сходств, между ними есть и одно важное различие: электрические заряды существуют, а магнитные нет. Магнитный заряд представлял бы собой северный полюс магнита без южного – или наоборот. Электрический ток – это течение электрических зарядов; поскольку не существует магнитного заряда, не может быть и магнитных токов. Казалось бы, это с самого начала исключает возможность существования магнитного аналога полупроводников. Однако давайте рассмотрим эту идею более пристально.

Хотя окружающие нас объекты в большинстве своем содержат положительные и отрицательные заряды в равных количествах, сила электричества заключается в отделении одних от других. Если заезжий коммивояжер предложит вам купить волшебную ткань, которой можно стирать электроны с отдельных атомов, вы, наверное, сочтете его либо волшебником, либо шарлатаном. Но такая ткань существует: из нее сделан любой шерстяной свитер. Если потереть им воздушный шарик, отрицательно заряженные электроны перейдут со свитера на шарик. Если бы это явление не было таким привычным, оно казалось бы в высшей степени волшебным. Но для магнитов такого заклинания деления не существует. А почему, собственно?

Простой ответ состоит в том, что у магнита всегда есть северный полюс и южный полюс. В переводе на профессиональный язык это означает, что магниты представляют собой «магнитные диполи», то есть имеют два полюса. Разрезав магнит пополам, вы получите два магнита меньшего размера, и у каждого из них будет два полюса. Если продолжить разрезать магнит на все более мелкие части, в конце концов вы дойдете до одиночного электрона, который – поскольку это элементарная частица – разделить невозможно. У электрона есть собственное магнитное поле – его спин, – и он тоже имеет северный и южный полюса. Раз два полюса есть даже у элементарной частицы, кажется, что на заклинание