Волновые диоды - основа технологий будущего

Ученые представили теоретическую модель устройства, являющегося волновым диодом. Эта конструкция проводит световые, звуковые и тепловые волны строго в одном направлении. Разработчики считают, что этот волновой диод будет полезен при создании тепло-, свето- и звукоизолирующих покрытий, а также устройств для направленной передачи световых импульсов.

Недавно итальянским физикам, похоже, удалось приблизиться к решению одной из глобальных проблем современности. Они разработали схему волнового диода, работающего со световыми и акустическими волнами. Правда, пока эта разработка существует только в виде теоретической модели...

Как известно, диод — это такое устройство, которое позволяет электрическому току течь только в одном направлении. В обратную сторону диод не пропустит электромагнитные волны ни за какие коврижки. Благодаря этому свойству диоды наряду с транзисторами в настоящее время составляют основу современной электроники. В частности, они широко используются для преобразования переменного тока в постоянный (точнее, в однонаправленный пульсирующий).

Также широко распространены так называемые ламповые диоды. Они представляют собой радиолампу с двумя рабочими электродами, один из которых подогревается нитью накала. Благодаря этому часть электронов покидает поверхность разогретого отрицательно заряженного электрода (катода) и под действием электрического поля движется к положительно заряженному — аноду. Если же поле вдруг по каким-то причинам изменит свою направленность, то обратного тока не будет.

Итак, благодаря этому уникальному свойству электрические диоды используются сейчас практически везде: в генераторах тока, в теле- и радиоприемниках, компьютерах, сотовых телефонах и. т. п. Однако многие физики уже давно говорили о необходимости разработки устройства диодного типа, которое могло бы обеспечивать проведение в одну сторону любых волн, в том числе и тепловых, звуковых и световых. Тем не менее, до последнего времени эту задачу не удавалось решить даже на теоретическом уровне, не говоря уже о том, что бы воплотить данную разработку на практике.

Первые успехи на данном направлении исследований принадлежат американским физикам. Четыре года назад появилась статья в Science, в которой сообщалось о создании такого устройство на основе углеродных нанотрубок и таких же цилиндрических структур из нитрида бора. Справедливости ради надо сказать, что этот тепловой диод был микроскопическим (его объем составлял несколько нанометров). Однако, как и было предсказывали разработчики, проводил тепловые волны только в одном направлении.

В 2009 году японским ученым удалось сконструировать похожее устройство, правда, из другого материала. Они использовали достаточно редкий в земной коре минерал перовскит, представляющий собой не что иное, как титанат кальция (CaTiO₃). Этот минерал, названный в честь русского минералога Л. А. Перовского, в небольших количествах встречается в тальковых и хлоритовых сланцах, а также породах вулканического происхождения на Урале, в Тироле (Австрия), в Швейцарии, и в Финляндии. Интересно, что этот редкий на поверхности минерал, тем не менее, судя по всему, является одним из самых распространенных на нашей планете, поскольку, по расчетам ученых, мантия Земли на 80% состоит из перовскита, следовательно, на него приходится около половины общей массы нашей планеты.

Группа японских физиков под руководством профессора Кобаяси изготовила устройство, которое состоит из двух слоев различных видов перовскита. Обе модификации данного минерала характеризуются тем, что их теплопроводность зависит от температуры. При этом один из слоев при высокой температуре отличается более высокой теплопроводностью. Получается, что данная конструкция действительно аналогична строению полупроводникового диода, который составлен из элементов с разным типом примесей, обеспечивающих различную электропроводимость в разных частях устройства.

По словам разработчиков, их разработка может применяться для создания охлаждающих систем компьютерных процессоров, а также в гипотетических термокомпьютерах — вычислительных системах, где переносчиком информации будет выступать не электричество, как в обычных машинах, а тепловая энергия. Единственное, что пока мешает широкому выходу перовскитовых теплодиодов на массовый рынок — это высокая стоимость сырья, то есть перовскита. Ведь этот минерал до сих пор так и не научились изготавливать в лабораториях, а в земной коре, как было сказано выше, он чрезвычайно редок.

Тем не менее, достижение японских физиков подвигло итальянских ученых Стефано Лепри и Джулио Казати на построение теоретической модели волнового диода, способного проводить в одну сторону излучения любого типа. Он представляет собой трехслойное устройство, по бокам которого находятся блоки из материала, по которому волны распространяются линейно. В центре же имеется участок, материал которого, наоборот, является нелинейным, то есть при прохождении через него свойства волны (например, амплитуда колебаний) изменяются не непрерывным образом, а как бы рывками, дискретно при переходе от одного слоя к другому.

С точки зрения разработчиков данной модели, такая ассиметричная структура и позволит устройству работать как диоду, то есть пропускать волну только в одном направлении. Для подтверждения своих выводов они рассчитали прохождение через него световой монохроматической (то есть волны с постоянными во времени частотой, амплитудой и начальной фазой) световой волны. Рассчеты показали, что в одну сторону эта волна проходит свободно, а вот в другую уже нет.

Более того, выяснилась еще одна интересная вещь. Ученые, проанализировав результаты своего мысленного эксперимента вдруг поняли, что на выходе из устройства волна сохранила свою монохроматичность, то есть ее частота и амплитуда практически не изменились. Это подтвердило их предположение о том, что разработанное ими устройство является именно диодом — поскольку все полупроводниковые диоды, проводя ток, не изменяют его основные характеристики.

Пока еще разработчики и сами не представляют, какой материал сможет подойти для того, что бы воплотить их модель в реальность. Не исключено, что это будет тот же самый перовскит или уже опробованные углеродные нанотрубки. Тем не менее, они считают, что волновые диоды в ближайшем будущем будут широко востребованы, поскольку на их основе можно будет создать тепло-, свето- и звукоизолирующие покрытия, а также устройства для направленной передаче световых, акустических и тепловых импульсов. Осталось лишь сконструировать данный прибор, однако, скорее всего, это произойдет достаточно быстро — ведь между теоретической моделью первого теплодиода и практической реализацией данной идеи прошло менее четырех лет…