Fizica pentru perfectionarea profesorilor “Profesorul si Scoala Viitorului” Curs Conf.Dr. Mirela...

Fizica pentru perfectionarea profesorilor“Profesorul si Scoala Viitorului”

Curs Conf.Dr. Mirela Nicolov

Premiantii Nobel in Fizica

2007- Albert Fert, Peter Grünberg 2006 - John C. Mather, George F. Smoot 2005 - Roy J. Glauber, John L. Hall, Theodor W. Hänsch 2004 - David J. Gross, H. David Politzer, Frank Wilczek 2003 - Alexei A. Abrikosov, Vitaly L. Ginzburg, Anthony J. Leggett 2002 - Raymond Davis Jr., Masatoshi Koshiba, Riccardo Giacconi 2001 - Eric A. Cornell, Wolfgang Ketterle, Carl E. Wieman 2000 - Zhores I. Alferov, Herbert Kroemer, Jack S. Kilby 1999 - Gerardus 't Hooft, Martinus J.G. Veltman 1998 - Robert B. Laughlin, Horst L. Störmer, Daniel C. Tsui 1997 - Steven Chu, Claude Cohen-Tannoudji, William D. Phillips 1996 - David M. Lee, Douglas D. Osheroff, Robert C. Richardson 1995 - Martin L. Perl, Frederick Reines 1994 - Bertram N. Brockhouse, Clifford G. Shull 1993 - Russell A. Hulse, Joseph H. Taylor Jr. 1992 - Georges Charpak 1991 - Pierre-Gilles de Gennes

1990 - Jerome I. Friedman, Henry W. Kendall, Richard E. Taylor

1989 - Norman F. Ramsey, Hans G. Dehmelt, Wolfgang Paul 1988 - Leon M. Lederman, Melvin Schwartz, Jack

Steinberger 1987 - J. Georg Bednorz, K. Alex Müller 1986 - Ernst Ruska, Gerd Binnig, Heinrich Rohrer 1985 - Klaus von Klitzing 1984 - Carlo Rubbia, Simon van der Meer 1983 - Subramanyan Chandrasekhar, William A. Fowler 1982 - Kenneth G. Wilson 1981 - Nicolaas Bloembergen, Arthur L. Schawlow, Kai M.

Siegbahn


1980 - James Cronin, Val Fitch 1979 - Sheldon Glashow, Abdus Salam, Steven Weinberg 1978 - Pyotr Kapitsa, Arno Penzias, Robert Woodrow Wilson 1977 - Philip W. Anderson, Sir Nevill F. Mott, John H. van

Vleck 1976 - Burton Richter, Samuel C.C. Ting 1975 - Aage N. Bohr, Ben R. Mottelson, James Rainwater 1974 - Martin Ryle, Antony Hewish 1973 - Leo Esaki, Ivar Giaever, Brian D. Josephson 1972 - John Bardeen, Leon N. Cooper, Robert Schrieffer 1971 - Dennis Gabor


1970 - Hannes Alfvén, Louis Néel 1969 - Murray Gell-Mann 1968 - Luis Alvarez 1967 - Hans Bethe 1966 - Alfred Kastler 1965 - Sin-Itiro Tomonaga, Julian Schwinger

, Richard P. Feynman 1964 - Charles H. Townes, Nicolay G. Basov, Aleksandr M.

Prokhorov 1963 - Eugene Wigner

, Maria Goeppert-Mayer, J. Hans D. Jensen 1962 - Lev Landau 1961 - Robert Hofstadter, Rudolf Mössbauer


1960 - Donald A. Glaser 1959 - Emilio Segrè, Owen Chamberlain 1958 - Pavel A. Cherenkov, Il´ja

M. Frank, Igor Y. Tamm 1957 - Chen Ning Yang, Tsung-Dao Lee 1956 - William B. Shockley, John Bardeen

, Walter H. Brattain 1955 - Willis E. Lamb, Polykarp Kusch 1954 - Max Born, Walther Bothe 1953 - Frits Zernike 1952 - Felix Bloch, E. M. Purcell 1951 - John Cockcroft, Ernest T.S. Walton


1950 - Cecil Powell 1949 - Hideki Yukawa 1948 - Patrick M.S. Blackett 1947 - Edward V. Appleton 1946 - Percy W. Bridgman 1945 - Wolfgang Pauli 1944 - Isidor Isaac Rabi 1943 - Otto Stern 1942 -

The prize money was with 1/3 allocated to the Main Fund and with 2/3 to the Special Fund of this prize section

1941 - The prize money was with 1/3 allocated to the Main Fund and with 2/3 to the Special Fund of this prize section


1940 - The prize money was with 1/3 allocated to the Main Fund and with 2/3 to the Special Fund of this prize section

1939 - Ernest Lawrence 1938 - Enrico Fermi 1937 - Clinton Davisson, George Paget Thomson 1936 - Victor F. Hess, Carl D. Anderson 1935 - James Chadwick 1934 -

The prize money was with 1/3 allocated to the Main Fund and with 2/3 to the Special Fund of this prize section

1933 - Erwin Schrödinger, Paul A.M. Dirac 1932 - Werner Heisenberg 1931 -

The prize money was allocated to the Special Fund of this prize section


1930 - Venkata Raman 1929 - Louis de Broglie 1928 - Owen Willans Richardson 1927 - Arthur H. Compton, C.T.R. Wilson 1926 - Jean Baptiste Perrin 1925 - James Franck, Gustav Hertz 1924 - Manne Siegbahn 1923 - Robert A. Millikan 1922 - Niels Bohr 1921 - Albert Einstein


1920 - Charles Edouard Guillaume 1919 - Johannes Stark 1918 - Max Planck 1917 - Charles Glover Barkla 1916 -

The prize money was allocated to the Special Fund of this prize section

1915 - William Bragg, Lawrence Bragg 1914 - Max von Laue 1913 - Heike Kamerlingh Onnes 1912 - Gustaf Dalén 1911 - Wilhelm Wien


1910 - Johannes Diderik van der Waals 1909 - Guglielmo Marconi, Ferdinand Braun 1908 - Gabriel Lippmann 1907 - Albert A. Michelson 1906 - J.J. Thomson 1905 - Philipp Lenard 1904 - Lord Rayleigh 1903 - Henri Becquerel, Pierre Curie, Marie Curie 1902 - Hendrik A. Lorentz, Pieter Zeeman 1901 - Wilhelm Conrad Röntgen


1901 150,782 ; 1902 141,847 ; 1903 141,358 ; 1904 140,859 ; 1905 138,089; 1906 138,536; 1907 138,796 ; 1908 139,800; 1909 139,800; 1910 140,703; 1911 140,695 ; 1912 140,476; 1913 143,010 ; 1914 146,900 ; 1915 149,223 ; 1916 131,793 ; 1917 133,823 ; 1918 138,198 ; 1919 133,127 ; 1920 134,100 ; 1921 121,573; 1922 122,483 ; 1923 Smallest amount 114,935; 1924 116,719 ; 1925 118,165 1926 116,960 ; 1927 126,501 ; 1928 156,939 ; 1929 172,760 ; 1930 172,947; 1931 173,206; 1932 171,753 ; 1933 170,332 ; 1934 162,608 ; 1935 159,917 1936 159,850 ; 1937 158,463 ; 1938 155,007; 1939 148,822 ; 1940 138,570 1941 131,496 ; 1942 131,891 ; 1943 123,691 1944 121,841 ; 1945

121,333 ; 1946 The Foundation is granted tax exemption121,524 ; 1947 146,115 1948 159,773 1949 156,290

1950 164,304 ; 1951 167,612; 1952 171,135 ; 1953 The Foundation's investment rules are changed 175,293 ; 1954 181,647 ; 1955 190,214 ; 1956 200,123 ; 1957 208,629 1958 214,559 ; 1959 220,678;

The Nobel Prize AmountThe Nobel Prize amount for 2007 is set at Swedish koron (SEK) 10 million per full Nobel Prize.

1960 225,987; 1961 250,233 1962 257,220 ; 1963 265,000 1964 273,000 ; 1965 282,000 ; 1966 300,000 ; 1967 320,000 ; 1968 350,000 ; 1969 The Prize in Economics is added 375,000 ; 1970 400,000 ; 1971 450,000 ; 1972 480,000 ; 1973 510,000; 1974 550,000; 1975 630,000 ; 1976 681,000 ; 1977 700,000 1978 725,000 ; 1979 800,000 ; 1980 880,000 ; 1981 1,000,000 ; 1982 1,150,000 ; 1983 1,500,000 ; 1984

1,650,000 ; 1985 1,800,000 ; 1986 2,000,000; 1987

2,175,000; 1988 2,500,000; 1989 3,000,000 ; 1990 4,000,000 ; 1991 6,000,000 ; 1992 6,500,000 ; 1993

6,700,000 ; 1994 7,000,000 ; 1995 7,200,000; 1996

7,400,000 ; 1997 7,500,000 ; 1998 7,600,000 ; 1999

7,900,000 ; 2000 9,000,000 ; 2001 10,000,000 ; 2002 10,000,000 ; 2003 10,000,000 ; 2004 10,000,000; 2005 10,000,000 ; 2006 10,000,000 ; 2007 10,000,000

The Nobel Prize AmountThe Nobel Prize amount for 2007 is set at Swedish koron (SEK) 10 million per full Nobel Prize.

2007- Albert Fert, Peter Grünberg Descoperirea Fenomenului de Magnetorezistenta aplicata mediilor gigantice

In acest an Premiul Nobel in Fizica s-a anuntat public in 10 octombrie 2007 si se va inmana oficial in 8 decembrie 2007 lui

ALBERT FERT and PETER GRÜNBERGPentru Descoperirea Fenomenului de Magnetorezistenta aplicata mediilor gigantice Fenomenul GMR

Aplicatiile acestui fenomen a revolutionat tehnicile de recuperare a datelor pierdute din gresala de pe hard-discurile calculatoarelor

Aceasta descoperire mai joaca un rol major in descoperirea unor diferiti senzori magnetici ca si descoperirea unor noi generatii de elemente de electronica

Fenomenului de Magnetorezistenta aplicata mediilor gigantice pare a avea o mare aplicatie in domeniul nanotehnologiilor

Diagrama ne arata ritmul de miniaturizare a componentelor din domeniul IT

De fapt revolutia IT depinde de corelarea destulde complicata dintre domeniul de stiinta fundamentala si tehnica fina de receptionare



Computerele portabile , mp3-playerele , puternicele search engine - toate necesita hard-diskuri unde informatia sa fie foarte dens impachetata.

Informatiile de pe hard disc sunt depozitate in regiuni cu diferite surafete de magnetizare . O anumita suprafata de magnetizare corespunde starii binare de zero si o alta stare de magnetizare corespunde starii de magnetizare 1 . Pentru a citi informatia un cap de citire scaneaza hard-diskul calculatorului si si inregistreaza diferitele campuri de magnetizare . Cand hard-discul devine din ce in ce mai mic fiecare suprafata magnetizata se restrange . Asta inseamna ca fiecare regiune magnetizata corespunzatoare fiecarui bite devine din ce in ce mai ingusta si se poate citi din ce in ce mai greu.

In consecinta un hard-disk pe care este inregistrata informatia cat mai dens impachetata necesita si o tehnica foarte sensibila de citire si de obtinere a informatieie inscriptionate pe ea.


La sfarsitul anilor 1990 se introduce o tehnica total noua in domeniul capurilor de citire a hard-discurilor , si duce automat la accelerarea fenomenului de miniaturizare a hard- discurilor pe care am remarcat-o in ultimii ani.

Tehnologia de azi se bazeaza pe fenomenul fizic observat cu 20 de ani in urma , pentru care s-a luat premiul Nobel in Fizica in anul 2007 de catre francezul Albert Fert si de neamtul Peter Grünberg care independent unul de celalalt au descoperit fenomenul de GMR ( Giant magnetorezistence) si care isi impart premiul Nobel in 2007 .

2007- Albert Fert, Peter Grünberg Descoperirea Fenomenului de Magnetorezistenta aplicata mediilor giganticeDe la Lord Kelvin la Magnetorezistenta

Initial, au fost utilizate bobine de inductie pe post de cap de citire si s-a folosit faptul ca variatia campului magnetic induce un camp electric prin bobina . Aceasta tehnologie nu a putut sa tina pasul cu procesul de miniaturizare a hard discurilor .

Totusi bobine de inductie sunt folosite pentru scrierea informatiilor pe hard-disk.

Fenomenul de magnetorezistenta este mai utuil pentru functiile de citire a hard-diskurilor

Se cunoaste ca rezistenta electrica a materialelor cum ar fi Fe este influentata de campul magnetic

In 1857 Lord Kelvin publica un articol prin care arata ca rezistenta se diminueaza de-a lungul liniilor de magnetizare cand se aplica un camp magnetic unui conductor magnetic.. Cand se aplica un camp magnetic de-a lungul conductorului rezistenta sa poate sa si creasca .

2007- Albert Fert, Peter Grünberg Descoperirea Fenomenului de Magnetorezistenta aplicata mediilor giganticeDe la Lord Kelvin la Magnetorezistenta

Acest fenomen de magnetorezistenta (MR) anizotropa este predecesorul fenomenului de Magnetorezistenta aplicata GMR ca tehnologie standard utilizata la capurile de citire – o tehnologie necesara ca fiind foarte sensibila.

Fenomenul GMR a fost posibil sa fie introdus si datorita obtinerii pentru prima data a straturilor subtiri, nanometrice de metale in anii 1970. Aceste straturi cu dimensiuni de 10-6m dau posibilitatea introducerii unei nanotehnologii de obtinere a acestor straturi formate cateodata si din doar cateva straturi de atomi .

La nivel atomic materia se manifesta uneori diferit si astfel la scara nanometrica materialele pot prezenta proprietati de material total noi.. Aceasta este valabila nu numai pentru proprietati ca si conductivitatea electrica si magnetica dar si pentru proprietati cum ar fi rezistenta sau proprietatile chimice sau optice ale materialului.

In acest sens Tehnologia GMR poate fi considerata si ca o aplicatie majora a nanotehnologiilor in diverse domenii de aplicare.


Rezistenta si magnetizarea

In metalele conductoare , electricitatea reprezinta transportul electronilor care se misca liber prin material . Curentul trece prin conductoare datorita miscarii electronilor pe o directie data , cu cat directia electronilor este mai dreapta cu atat conductanta materialului este mai ridicata . REzistenta electrica apare atunci cand electronii diverg de pe drumurile lor drepte si se imprastie pe iregularitatile si impuritatile de material . Cu cat gradul de imprastiere este mai ridicat cu atat rezistenta este mai ridicata.

Intr-un material magnetic imprastierea electronilor este influentata si de directiile de magnetizare.

Rezistenta electrica dintr-un conductor cand electronii ajung in iregularitatile materialului iar miscarea lor in continuare este obstructionata - intrerupta


Rezistenta si magnetizarea

In fenomenul de GMR exista o foarte stransa legatura intre magnetizare si reistenta datorita rotatiei intrinseci a electronului care induce un moment magnetic intrinsec – moment cuantum mecanic de spin – orientat intr-una sau doua directii opuse .

Intr-un material magnetic majoritatea spinului este orientat in aceeasi directie ( paralel cu aceeasi directie) . Un numar mic de spini sunt orientati in directii opuse , antiparalel cu magnetizarea generala. Acest neechilibru este datorat diferitilor spini sa fie imprastiati la un unghi mai mic sau mai mare datorita neregularitatilor sau impuritatilor din materialul magnetic considerat , mai ales la interfata dintre materialele considerate la jonctiune. Proprietatile materialului determina care electroni vor fi cel mai mult imprastiati . Sau gradul de imprastiere a electronilor depinde de proprietatile materialului.


Intr-un conductor magnetizat directia spinului pentru majoritatea electronilor este paralel cu magnetizarea ( reprezentata cu rosu in figura)

Putini electroni au spinul orientat in sens opus ( cei in alb)

In acest exemplu electronii cu spinul antiparalel sunt mai imprastiati.

2007- Albert Fert, Peter Grünberg Descoperirea Fenomenului GMR

Giant Magnetoresistance – GMR In exemplul urmator se va prezenta un sistem simplu de GMR .care

consta dintr-un strat de tip sandwich format dintr-un strat metalic non-magnetic plasat intre doua straturi metalice magnetice , asa ca in figura .

In interiorul materialului magnetic in special la interfata dintre materialele magnetice si non-magnetice electronii cu spini orientati diferit se supun unui fenomen de imprastiere diferit (1) .Aici vom considera cazul cand electronii se imprastie mai tare cand au spinul antiparalel cu directia de magnetizare . Aceasta inseamna ca rezistenta va fi mai mare pentru acesti electroni decat pentru acei electroni care au spinul paralel cu directia de magnetizare.

In continuare cand electronii intra in regiunea cu material nemagnetizat , ei vor fi imprastiati toti in aceeasi directie ( 2) .

La cea de-a doua interfata , in materialul magnetizat, electronii cu spinul antiparalel se vor magnetiza din nou mai mult decat electronii cu spinul paralel (3)


Giant Magnetoresistance – GMR

In acest caz , cand amandoua straturile sunt magnetizate in aceeasi directie , majoritatea electronilor vor avea spinul paralel si se vor misca usor in interiorul structurii astfel formate.

Rezistenta totala va fi astfel scazuta in cazul A din figura urmatoare. In consecinta daca magnetizarea a doua straturi este opusa , toti

electronii vor fi in starea de spin antiparalel intr-unul din cele doua straturi.Deci nici un electron nu se va putea misca usor intr-un astfel de sistem si deci rezistenta sistemului va fi mare ( cazul B)

Acum sa ne imaginam modul de utilizare a unei astfel de structuri la un cap de citire a hard-discului : Cand magnetizarea stratului (1) este fixa , iar magnetizarea stratului (3) este mobila ( libera sa se miste) , astfel incat sa fie influentata variatia campului magnetic pe hard-disk. Magnetizarea celor doua straturi magnetice va fi alternativa in capul de citire al hard-discului : paralela si antiparalela. Aceasta va determina o variatie a rezistentei si a curentului , prin intermediul capului de citire. Daca curentul va fi un semnal ce paraseste capul de citire , un curent mai mare poate sa semnifice un semnal binar 1 iar un curent scazut poate semnifica zero.


Giant Magnetoresistance – GMR

Daca directia magnetizarii este aceeasi in ambele straturi magnetice , electronii cu spinul paralel ( rosu) pot trece prin intreg sistemul fara a fi imprastiati . In aceasta situatie rezistenta sistemului va fi mica.

Daca directia magnetizarii in cele doua straturi este opusa , toti electronii vor avea spinul antiparalel intr-un strat si astfel vor fi extrem de imprastiati, ca rezultat rezistenta totala va fi foarte ridicata


Fenomenul GMR devine standard

Pe la mijlocul anilor 1980 oamenii de stiinta au realizat posibilitatile pe le ofera studiile efectuatre in camp magnetic asupra straturilor de diemnsiuni nanometrice.

Albert Fert si colectivul sau au creat in jur de 30 de astfel de straturi de Fier-Crom , straturi compuse doar din cateva straturi de atomi . Pentru a avea succes au trebuit sa lucreze in apropierea regiunii de vacuum si sa lucreze la presiuni scazute ale Fierului si cromiului . Intr-o astfel de situatie atomii se ataseaa la suprafata , strat dupa strat , permit astfel construirea stratului

In mod similar Peter Grunberg si grupul sau au creat un sistem mult mai simplu format dintr-un sandwich de 3 straturi de Fe si un strat d Crom intre ele .

Pentru ca Fert a folosit mai multe straturi a obtinut o valoare a magnetorezitentei mult mai ridicate decat Grunberg.

Grupul francez a concluzionat astfel ca magnetizarea depinde de schimbarea rezistentei pana la 50 % iar nemtii a tras concluzia ca depinde doar de 10% .

Cert este ca amandoua grupurile au observat un fenomen nou de Magnetorezistenta.


Considerand in studiile lor fenomenul de magnetorezistenta traditional nici unul din cele dou grupuri nu au observat nici o modificare a magnetizarii in functie de rezistenta.

Albert fert a fost primul care a introdus conceptul de GMR iar in prima sa lucrare pe aceatsa tema a apreciat ca noul fenomen introdus de le ca poate avea aplicatii spectaculoase . Peter Grünberg si el a realizat potentialul noului fenomen.

Pentru ca noua tehnologie sa fie comerciala a fost cautat un proces industrial care sa creeze straturile subtiri : cunoscut in literatura de specialitate sub denumirea de epitaxie., proces care este laborios si costisitor dar care se preteaza mai mult pentru laboratoare de cercetare decat pentru comercializare pe scara larga .

Stuart Parkin , un englez ce lucra in USA a demostrat ca se poate obtine acelasi efect printr-un proces tehnologic mult mai simplu numit “SPUTERING”.

Efectul GMR se alica la straturi foarte perfecte Efectul GMR nu se poate produce la scara industriala. Efectul GMR extrem de sensibil combinat cu procesul industrial de obtinere

a straturilor subtiri determina obtinerea unei noi tehnologii de realizare a hard-discurilor care au fost produse incepand cu 1997.


Noile electronice introduse : SPINTRONICELE

GMR este fenomenul care se aplica atat hard-discurilor cu informatii foarte bine impachetate cat si pentru functionarea senzorilor magnetici si dar si a altor aplicatii. Aceasta tehnologie este utilizata si la un nou tip de electronice numite SPINTRONICE care utilizeaza spinul electronului nu numai sarcina traditionala a electronului . Conditia esentiala de existenta a spintronicelor este impusa de micile dimensiuni de obtinere utilizand nanotehnologiile. Directia spinului electronic se mentine pe distante mici . In straturile subtiri , directia spinului electronic se schimba inainte de a tine cont de proprietatile electronice ale diferitelor straturi ( cum ar fi rezistenta mare sau mica a straturilor)


La inceputul perioadei cand s-a folosit/ introdus fenomenul GMR , s-a confectionat un material izolator in loc de un material metalic magnetic de tip sandwich intre doua straturi de metale magnetice .Nici un curent electric nu este posibil sa traverseze un strat izolator dar daca este suficient de subtire , electronii pot patrunde utilizand efectul cuantum mecanic de tunelare . Acest nou sistem poarta denumirea de TMR : efect de magnetorezistenta de tunelare. Utilizand fenomenul de TMR se pot crea campuri magnetice foarte slabe chiar pentru rezistente mari .

Chiar si noua generatie de capuri de citire folosesc aceasta noua tehnologie.


Inspre o memorie universala

O alta aplicatie a spinotronicelor este memoria de lucru magnetica numita MRAM. Pentru suplimentarea hard-diskului , unde sunt stocate in permanenta informatii , computerele au nevoie de o memorie de lucru rapida ceea ce uzual poarta denumirea de RAM ( Random Access Memory) .In RAM-ul sau fiecare computer aduna toate informatiile necesare pentru procesarea informatiilor in timpul functionarii. Neajunsul memoriei de lucru a calculatoarelor este acela ca nu sunt capabile sa depoziteze orice informatie in mod permanent- ca si acest text care este scris dar nu stocat in memoria RAM a calculatorului. In cazul unei caderi de tensiune sau o inchidere din greseala a calculatorului fara salvare textul scris se pierde. Numai prin apasarea butonului SAVE textul considerat se va salva si se va stoca pe hard-diskul calculatorului.

Specificul MRAM : este posibil sa se utilizeze TMR pentru citirea si scrierea informatiilor si astfel sa se creeze o memorie magnetica a calculatorului care este mai rapida si mai usor accesibila. MRAM este astfel utilizabila ca o memorie de lucru contrar caracterului de lucru incet al hard-diskului., dar poate fi si o memorie permanenta care nu depinde de puterea electrica..

Aceasta inseamna ca MRAM se poate dezvolta a se ajunge sa fie o memorie universala care sa inlocuiasca traditionalul RAM si hard-diskul. Gradul de compactitate al unui astfel de sistem poate fi utilizat in particular in sisteme mici incorporate in tot ce este in jurul nostru de la utilizare in bucatarie pana la automobile .


Descoperirea efectului GMR este o usa deschisa catre un nou domeniu tehnologic cel al spinotronicelor unde sunt utilizate atat sarcina electronului cat si spinul electronului. Imbinarea celor doua tehnologii este conditia esentiala descoperirii GMR . Acum spinotronicele sunt forta motrice pentru o dezvoltare cat mai rapida a nanotehnologiilor . Acest domeniu de cercetare este un exemplu neobisnuit de clar cum stiinta fundamentala si noile tehnologii se intrepatrund una cu alta.

Mai multe informatii despre acest subiect se pot gasi pe site-ul : Academiei regale suedeze de stiinte www.kva.se , si http://nobelprize.org . Sau www.nobelmuseum.se

Bibliografie corespunzatoare acestei teme se pot considera “Kopplung macht den Wiederstand” by Peter Grünberg, Physik Journal

9/2007 (in German). “Giant steps with tiny magnets” by Agnes Barthélémy and Albert Fert et al.,

Physics World Nov. 1994 (in English). “Spintronics” by Dirk Grundler, Physics World April 2002 (in English).

2006 - John C. Mather, George F. Smoot DESCOPERIREA FONDULUI RADIAŢIEI DE MICROUNDE- SI MICILE SALE VARIATII IN DIFERITE DIRECTII

Introducere

Radiaţia de fond a fost înregistrată pentru prima dată în anul 1964 de Arno Penzias şi Robert Wilson care au fost premiaţi în 1978 pentru această descoperire.

Prima dată au interpretat greşit radiaţia de fond ca pe un sunet irelevant in staţiile lor radio -înţeles ca un sunet emis de furtună cand televizoarelor le este întreruptă transmisia normală. Această emisie de fond a microundelor era prezisă de o teorie din anii 1940 de Alpher, Gamow şi Herman, descoperirea contribuind la discuţia despre originile Universului.


Figura 1. Stadiile evoluţiei Universului

Au fost introduse două teorii despre aparitia Universului:

• teoria Big-Bang, ce susţinea că Universul a fost creat dintr-o explozie iniţială şi a continuat să se extindă si

• teoria conform căreia Universul a existat dintotdeauna într-o fază stabilă.


Scenariul Big-Bang prezicea existenţa acestei radiaţii cu microunde, deci descoperirea lui Penzias şi a lui Wilson au conferit credibilitate acestei teorii. Potrivit scenariului Big-Bang, Universul s-a dezvoltat de la stadiul de căldură intensă.

Nu există încă teorii stabile despre această condiţie primordială a Universului, dar imediat după acest stadiu se pare că Universul s-a umplut cu o radiaţie foarte intensă. Radiaţia emisă de un "corp" atat de strălucitor este distribuită între diferite lungimi de undă (culori luminoase) într-o manieră specifică, unde forma spectrului depinde doar de temperatură.

Termenul folosit pentru a descrie acest gen de radiaţie este "radiaţie a corpului-negru"- spectre ca acestea pot fi create în laborator.

Max Planck ,care a primit Premiul Nobel pentru fizică in 1918 a fost primul care a descris forma lor particulară.

Chiar Soarele nostru este, de fapt, un "corp-negru", cu toate că spectrul său este mai puţin perfect ca cel al fondului de radiaţie de microunde.


Potrivit teoriei Big-Bang, fondul de radiaţie se răceşte treptat odată cu extinderea Universului.

Forma originală a spectrului corpului-negru a fost oarecum conservată. In momentul când radiaţia a fost emisă , masa haotică (Universul nostru) era încă destul de fierbinte, în jur de 3000 de grade.

Radioactivitatea de fond pe care o măsurăm astăzi a scazut - s-a răcit considerabil, acum corespunzând radiaţiei emise de un corp cu o temperatură de doar 2,7 grade deasupra punctului de zero absolut. Aceasta înseamnă că lungimea de undă a radiaţiei a crescut (fig. 2). Din această cauză radiaţia de fond se găseşte astăzi în domeniul microundelor (lumina vizibilă are lungimi de undă mult mai scurte).

Figura 2. Lungimea de undă ale radiaţiei


Partea experimentala

Primele măsurători ale fondului de radiaţie au fost făcute din vârfurile unor munţi înalţi, cu rachete şi baloane. Atmosfera Pământului absoarbe mare parte din radiaţii, deci măsurătorile trebuiau făcute la mari înălţimi, dar chiar şi la aceste altitudini mari doar o parte infimă a fondului de radiaţie poate fi măsurată. O mare parte din lungimile de undă incluse în spectru sunt bine absorbite de către aer si este necesar ca măsurătorile să fie efectuate în afara atmosferei terestre. Din această cauză nici o metodă din interiorul atmosferei (incluzând cele ale lui Penzias şi ale lui Wilson) nu a reuşit să arate calitatea radiaţiilor „corpului-negru”. Acest fapt făcea dificil de cunoscut dacă fondul radiaţiei de microunde era cu adevărat de tipul prezis de scenariul Big-Bang. În plus, instrumentele legate de Pământ nu puteau investiga cu uşurinţă toate direcţiile din Univers, ceea ce făcea dificilă dovedirea faptului că radiaţia era identica în toate direcţiile. Măsuratorile din satelit rezolva ambele probleme - instrumentul putea fi ridicat deasupra atmosferei şi măsurătorile se puteau efectua uşor în toate direcţiile (fig. 3).


În 1974 NASA a iniţiat proiectului COBE (exploratorul fondului cosmic). John Mather a fost adevărata forţă din spatele acestei colaborări gigantice în care au fost implicaţi peste 1000 de angajati (ingineri, oameni de ştiinţă şi alţii).


Figura 3. Satelitul COBE permitea măsurarea fondului radiaţiei de microunde în toate direcţiile.



Figura 4. Satelitul COBE echipat cu instrumentele DIRBE, DMR şi FIRAS.

John Mather a fost în conducerea unuia din instrumentele de la bord : a celui folosit pentru investigarea spectrului „corpului-negru”.George Smoot a fost în conducerea celuilalt instrument hotărâtor care trebuia să caute mici fluctuaţii ale fondului radiaţiei de microunde în diferite direcţii (fig. 4).



Ideea originală a NASA era lansarea în spaţiu a lui COBE cu una din rachetele sale spaţiale. John Mather şi colaboratorii săi au obţinut o rachetă a lor pentru COBE şi satelitul a fost în sfârşit lansat pe data de 18 noiembrie 1989.


Rezultate si discutii

Primele rezultate au ajuns doar la 9 minute de observare: •COBE a înregistrat un spectru perfect de „corp-negru”.Când curba a fost prezentată mai târziu într-o conferinţă în ianuarie 1990, a fost primită cu ovaţii. •Curba-COBE s-a dovedit a fi una din cele mai perfecte spectre ale unui „corp-negru” măsurat vreodată. (fig. 5)•Distribuţia lungimii de undă a fondului radiaţiei cosmice de microunde, măsurată de COBE, corespunde unui spectru perfect de corp-negru.•Forma unui asemenea spectru depinde doar de temperatura corpului care emite.•Lungimile de undă ale fondului radiaţiei de microunde e în domeniul milimetrilor şi acest spectru particular corespunde unei temperaturi de 2,7 grade deasupra punctului de zero absolut.

Figura 5. Curba-COBE


Experimentul de care George Smoot a fost responsabil, a fost iniţiat pentru căutarea unor mici fluctuaţii ale temperaturii fondului în diferite direcţii. Aceste variaţii puteau oferi noi indicii despre cum au apărut galaxiile şi stelele; de ce materia în acest fel a fost concentrată în locuri specifice din Univers ca o substanţă vâscoasă, uniform răspândită. Variaţii mici de temperatură puteau să arate unde a început materia să se strângă. Odată ce acest proces a început, gravitaţia a explicat restul: materia atrage materia, fapt ce duce la formarea stelelor şi galaxiilor. Fără un mecanism de pornire, nici Calea Lactee, nici Soarele sau Pământul nu ar exista.

Teoria care încearcă să explice cum este iniţiată agregarea materiei are de-a face cu fluctuaţii cuantice în Univers în timpul primelor momente de expansiune. Acelaşi tip de fluctuaţie cuantică rezultă în constanta creare şi anihilare a particulelor de materie şi antimaterie în ceea ce noi normal credem că este un spaţiu gol. Acesta este unul din acele aspecte ale fizicii care nu poate fi înţeles imediat fără matematică. Deci să presupunem că variaţiile de temperatură măsurate în Universul de astăzi sunt rezultatul unor asemenea fluctuaţii cuantice şi că, potrivit teoriei Big-Bang, datorită acestora stelele, planetele şi în final viaţa s-a putut dezvolta. Fără ele, materia din care suntem constituiţi s-ar afla într-o formă total diferită, distribuită uniform în întregul Univers.



La inceputul experimentelor COBE, s-a presupus că fluctuaţiile de temperatură ale fondului radiaţiei de microunde necesare explicării apariţiei galaxiilor trebuia să fie în jur de 1/1000 dintr-un centigrad. Această variaţie este într-adevăr mică. S-au mai efectuat experimente care au arătat că influenţa materiei negre (o mare parte din materia din Univers pe care noi nu o putem vedea) însemna o variaţie de temperatură mai degrabă în domeniul a 1/100000 a unui grad.

Materia neagră în este de fapt un agent important în agregarea materiei, ceea ce înseamnă că variaţiile de temperatură necesare iniţierii acestui proces sunt chiar mai mici decât se credea anterior.

Găsirea acestor fluctuaţii extrem de mici în temperatură a fost o mare realizare. În 29 aprilie 1992 fizicianul englez Stephen Hawking a declarat într-un interviu la „The Times” că rezultatele COBE erau „cea mai mare descoperire a secolului, dacă nu a tuturor timpurilor”.



Figura 6. Schema procesului tehnologic DMR. Pâlniile cu unghiuri mai mici (fig. 6) - care oferă o rezoluţie mai bună - au fost folosite în măsurători mai târzii ca cele conduse de WMAP( Wilkinson Microwave Anitrosopy Probe) numit după David Wilkinson, care a decedat în 2002 şi care pentru o perioadă lungă de timp a fost o importantă forţă în domeniul măsurării fondului de radiaţii şi o sursă de inspiraţie pentru echipa COBE.


Figura 7. O hartă a variaţiilor de

temperatură, măsurată de COBE. Roşu corespunde la o temperatură ridicată, iar albastru la una scăzută. Variaţiile sunt minuscule, în domeniul a 1/100000 dintr-un grad

Temperatura radiaţiilor în această secţiune a fost comparată apoi cu temperatura celeilalte pâlnii dintr-o pereche şi, cu temperatura medie pentru tot cerul. În acest fel a putut fi creată o hartă a variaţiilor de temperatură din spaţiu (fig. 7) .


Concluzii Comparând variaţiile de temperatură măsurate sub diferite

unghiuri este posibilă calcularea relaţiei dintre densitatea materiei vizibile, materiei negre, şi (în combinaţie cu alte măsurători) energia neagră a Universului. Cuvântul „negru” în acest context înseamnă că nu putem vedea şi măsura acest tip de energie. De aceea măsurătorile variaţei temperaturii au devenit foarte importante – ele oferă oportunitatea de a determina indirect densitatea acestui tip de materie şi energie. Din cauza acestui fapt, proiectul COBE poate fi privit de asemenea ca punct de plecare pentru cosmologie, ca ştiinţă precisă: pentru prima dată calculele cosmologice (ca cele privind relaţia dintre materia neagră şi cea normală, materie vizibilă) puteau fi comparate cu date din măsurători reale. Aceasta face cosmologia modernă o adevărată ştiinţă (mai degrabă decât un fel de speculaţie filozofică, spre deosebire de cosmologia anterioară).

În acest fel măsurătorile lui COBE şi WMAP au obtinut baza de calcule a formei fundamentale a Universului. Concluzia este că Universul este Euclidian; geometria noastră de fiecare zi - euclidiană - ne spune că două linii paralele nu se vor intersecta niciodată, regulă care se pare că se aplică şi la scară cosmologică.


Concluzii

Experimentul COBE a iniţiat de asemenea câteva noi arii de investigaţie atât din cosmologie cât şi din fizica particulelor elementare .Noile măsurători cosmologice ţintesc la o şi mai bună înţelegere asupra a ceea ce s-a întâmplat cu câteva clipe înainte ca fondul radiaţiei de microunde să fie emis. Studiul mai detaliat asupra fondului radiaţiei de microunde poate oferi în viitor noi răspunsuri.

În fizica particulelor elementare înţelegem din ce este alcătuită materia neagră. Acesta este una din sarcinile noului accelerator LHC (Large Hadron Collider), care în curând va fi dat în folosinţă la CERN, centrul European de cercetare nucleară.

2000 - Zhores I. Alferov, Herbert Kroemer, Jack S. Kilby Contributii la teoria informatiei si comunicarii

Zhores I. Alferov Zhores I. Alferov, A.F. Ioffe Physico-Technical Institute, St. Petersburg,

Russia, and Herbert Kroemer University of California at Santa Barbara, California, USA, (fiecare cate 1/4 din premiu)

Pentru dezvoltarea heterostructurilor semiconductoare ce utilizeaza componente optoelectronice de viteza inalta de lucru

Jack S. Kilby Texas Instruments, Dallas, Texas, USA (1/2 de premiu)

Pentru inventarea circuitului integrat


Tehnologia informatiei si comunicarii

Tehnologia moderna a informatiei si comunicarii este una dintre cele mai importante tehnologii globale si are o importanta influenta asupra omenirii. Este forta motrice in schimbarile unei societati dintr-una industriala in una informationala bazata pe cunoastere. Aceasta importanta este ca si in cazul imprimarii si editarii unei carti .De altfel intinderea sa , mult mai rapida si impactul total pe care il are loc in zeci de ani mai degraba decat in sute de ani.

Numai in ultimii 10 ani calculatoarele personale au devenit comune , si se folosesc in toate domeniile de aactivitate : acasa, la servici , la scoala in magazine ( super-marketuri) si , firme , fabrici si spitale

Un exemplu izbitor pentru imbunatatirea sistemului informational si de comunicare este utilizarea internetului prin intermediul sistemului www (World Wide Web). Telefoanele mobile si fibrele optice cu viteza ridicata de transmitere a informatiei s-au raspandit rapid in ultimii ani in mod spectaculos


Revolutia electronica s-a raspandit tot mai mult in lume , ajungandu-se astfel la o nou economie: economie electronica de tip: e-economy cu e-business, licitatii electronice ( e-auctions), e-mail, e-news, carti si cursuri electronice(e-books),reviste electronice, e-etc.

S-a ajuns la un sistem bazat pe hardware, software , comunicare si un sistem care le integreaza pe toate.Marile companii din lume isi masoara valoarea de piata si se specializeaza exact in aceste domenii.

S-au facut mari investitii in societate si economie si de la an la an pare sa fie foarte dificil sa se identifice cele mai importante descoperiri si inventii si cei mai grozavi inventatori si oameni de stiinta.

In general s-a ajuns la un numitor comun : forta motrice a evolutiei ultimilor ani a fost dezvoltarea domeniului microelectronicelor. Aceasta dezvoltare a dus si la evolutia spectaculoasa a unor domenii care sunt in stransa legatura cu fizica cum ar fi domeniul puritatii materialelor semiconductoare, noi tipuri de tranzistori cu performante exceptionale la lucrul in inalta frecventa si nivel jos de zgomot, componente integrate intr-un singur Chip, laseri cu semiconductori, o baza de date informationala in domeniul media cu nivel extrem de ridicat de impachetare . – aceasta pentru a mentiona multe domenii in care sa fie implicata microelectronica.


Rolul fizicii

Performanta care se cere componentelor electronice este tot mai crescuta , cerintele pentru materialele semiconductoare sunt din ce in ce mai ridicate . Puritatea lor trebuie sa fie un ordin de tip ppb ( adica part per bilion : 10-9). Defectele trebuiesc sa aiba o valoare foarte scazuta. Straturile individuale trebuie sa se potriveasca foarte bine in compozitele cu mai multe straturi sau sa se potriveasca bine in structurile cristaline pentru a duce la scaderea deformatiilor . Tranzitia intre straturi trebuie sa fie abrupta la scara atomica. Atomii din conductor trebuie sa se opuna fluxului de electroni foarte rapid iar filmele izolatoare foarte subtiri trebuie sa fie fara goluri pentru a fi capabile sa reziste la campuri electrice foarte ridicate.

Descoperirea efectului de transzistor la sfarsitul anului 1947 de J. Bardeen, W.H. Brattain, si W.B. Shockley (Nobel Prize 1956) se considera inceputul erei semiconductoarelor. Au fost necesar de cativa ani buni pentru a dezvolta tranzistorul si a-l transforma intr-o componenta utila. La inceputuri tranzistorul a fost folosit pentru a inlocui tuburile cu vid care s-au transformat in componente foarte sofisticate de-a lungul celei de-a doua jumatate a secolului XX.Tranzistorul a fost mult mai mic , mult mai functional si disipa mai putina energie decat un tub.Complexitatea sistemului electronic a crescut de la cateva mii la cateva zeci de mii de componente care se vindeau impreuna pe o placa de bord.


Dezvoltarea tehnologiei semiconductorilor a dus la o dezvoltare a fizicii starii solide si stiintei materialelor.O mare realizare a fost introducerea siliciului ca material pentru confectionarea semiconductorilor demonstrat de G. Teal de la Texas Instruments in 1954. Oxidul de siliciu s-a transformat intr-un izolator aproape ideal .Interfata dintre Oxidul de siliciu si siliciu a fost poate cea mai studiata din din toate sistemele care au existat vreodata. Aceasta s-a intamplat inainte de inventarea circuitului integrat care s-a dezvoltat in ultimii 50 de ani.

Circuitul integrat permite unui nr. Foarte mare de elemente active ( tranzistori) si pasive ( rezistori, capacitati, etc) sa fie conectate prin intermediul metalului interconector pe acelasi chip.Primul circuit integrat a fost elementar fata de ce exista in standardele de azi. De altfel odata cu dezvoltarea rapida a instrumentatiei in particular a litografiei nr. Componentelor dintr-un circuit integrat poate creste extrem de mult.

Figura 1: componentele electronice sunt depuse pe un

suport denumit ‘wafer’,care sunt

taiate in chip-uri identice


La inceputul anilor 1960 , putin dupa inventia circuitului integrat, Gordon Moore, unul din pionierii din Silicon Valley a enuntat legea empirica fundamentala care exprima functionarea circuitului integrat inclusiv a componentelor sale si care prevede ca numarul componentelor sale sa se dubleze la fiecare 18-24 de luni la acelasi pret Aceasta este faimoasa lege a lui MOORE.

Remarcabil este faptul ca aceasta lege inca se aplica si dupa 50 de ani iar performanta s-a dublat chiar. Ca la tabla de sah , aceasta dublare nu poate continua in acest fel .

Aceasta a fost scanteia pentru fizicieni care au sugerat noi tipuri de componente microelectronice.

Figura 2: Legea lui Moore care stabileste performanta electronicii : numarul componentelor de pe un chip se dubleaza la fiecare 18-24 de luni.Se vede ca evolutia a urmat predictia lui MOORE Insa pe viitor se presupune ca dezvoltarea se va extrapola si in functie de dezvoltarea proceselor tehnologice . Se poarte vedea si modul de dezvoltare rapid a dimensiunilor wafer-elor de Si pe care se depun chip-urile.

Aproape 10 dupa inventia circuitelor integrate s-a ajuns la destule componente care sa fie conectate pe un singur chip pentru a constitui un singur microprocesor.

Microprocesoarele au fost inventate in jurul anilor 1970. Aceste componente au devenit “caii putere” ai aplicatiilor moderne si au dus la aparitie calculatoarele personale .

Asa cum motorul cu aburi a revolutionat industria , computerele personale au devenit “masina” revolutiei informatiei si cunostintelor.Apoi calculatoarele s-au conectat la retelele informatice permitand comunicarea intre diferite masini . Aceasta a insemnat impletirea a doua domenii calculatoare si telecomunicatii. Cerintele de procesare si transmitere a informatiilor au crescut si odata cu ele au crescut si vitezele de lucru a componentelor din microprocesoare. Aceasta s-a facut prin crearea componentelor la dimensiuni cat mai mici si cu consum cat mai mic de energie.


S-au recurs la structuri de materiale semiconductoare noi. Abilitatea de a crea si procesa informatii a crescut , in consecinta si

necesitatile de stocare a informatiilor in memorii si depozite de date ( baze de date) au crescut.

RAM-urile ( random access memory) rapide a calculatoarelor utilizeaza tranzistori pentru care pozitiile ‘on’ si ‘off’ ( inchis- deschis ) ale tranzistorilor sunt folosite pentru a reprezenta starile binare de 0 si 1 .

Pentru stocarea in masa a informatiilor se utilizeaza CD-rom. Cd-rom-urile se folosesc pentru citire .

Pentru ca necesitatile de stocare masiva a datelor au crescut , tehnologia de stocare a datelor s-a dezvoltat foarte mult iar pretul a scazut mult

PREMIUL Nobel in anul 2000 s-a decernat pentru a recunoastere ca tehnologia informatiei si cumunicatiei este forta motrice de tranzitie de la o societat industriala la una bazata pe cunoastere . Si pentru aceasta , doua mari inventii au stat la baza acesteia :

Descoperirea circuitului integrat Descoperirea heterostructurilor cu aplicatii in conceperea si functionarea

electronicelor de inalta frecventa si a optoelectronicelor.


Circuitul integrat

Inventarea tranzistorului a reprezentat tranzitia intre tuburile cu vid si componentele starii solide ca elemente active in procesarea semnalelor obtinute din circuite.

Tranzistoarele au avantaje deosebite fata de tuburile cu vid

Dezvoltarea rapida a industriei calculatoarelor a dus la cerinte mari pentru electronica , cerinte aparute la tot mai multe componente de circuite. Numarul de tranzistoare a limitat performantele calculatoarelo. Solutia a fost aparitia circuitelor integrate .

Conceptul de a combina diferiti tranzistori pe aceeasi piesa de cristal semiconductor a fost introdus in 1950 de GWA Dummer la o conferinta in Anglia unde a vorbit de siguranta electronicelor unde a sustinut ca : odata cu aparitia tranzistoarelor si a semiconductoarelor in general se pot concepe echipamente electronice ca blocuri solide fara fire de conexiune: wirelless. Blocul astfel conceput din conductori , izolatori si amplificatori , are functia de a fi conectat direct la functiile electrice prin taierea diferitelor regiuni a diverselor straturi.

Figura 4: Monocristalul de Si , fara defecte de structura


Industrial se obtineau materiale semiconductoare cristaline de precizie dar scumpe care in acea perioada se limita in a obtine doar tranzistoare.

Progresul tehnologiei de obtinere si de prelucrare a cristalelor de Si a dus la obtinerea cristalelor pentru “wafer”-i de la 2 la 12 inch , ceea ce cere investitii enorme in echipamentul de obtinere a materialelor cristaline multe miliarde de dolari in liniile de obtinere materialelor cristaline


Jack S. Kilby – (co-)inventator al circuitului integrat.

Jack Kilby angajat la Texas Instruments in 1958, in vara lui 1958 nu si-a luat vacanta si a fost interesat in cum sa faca fata numarului mare de componente dintr-un circuit integrat. In timpul verii lui 1958 el a demostrat ca este posibil sa se fabrice diferitele componente discrete ale unui oscilator folosind doar Siliciu ca material de baza prin sudarea lor impreuna.. In septembrie a aratat ca este posibil sa se fabrice complet un circuit dintr-o bucata de Ge care s-a dovedit a fi predominant material semiconductor pe linia de fabricatie din acel moment.

In 9 Februarie 1959 a obtinut un patent pe tema “ miniaturizarea circuitelor electronice”. Tranzistorii din compozitie si elementele pasive ereau conectate prin intermediul unor fire de aur. Kilby a mentionat ca se pot folosi conectori de aur ca material izolator.- pentru conexiunile electrice ale diferitelor parti.


In acelasi timp au fost facute cercetari si la American laboratories. J.A. Hoerni, un om de stiinta de la Fairchild Electronics in California a aratat ca este posibil procesul de planarizare pentru a evita procesul de blocare a tranzistorilor pe suprafat de wafer a semiconductorilor.

Procesul de planarizare permite conductorilor sa fie depozitati mai usor pe chip-ul de material semiconductor.

Robert Noyce din aceeasi companie a descoperit ca aluminiul ca metal adera usor la Si si si la oxidul de siliciu. Intr-o notita de laborator din 23 ianuarie 1959 a descris in detaliu cum se poate obtine un circuit integrat utilizand aluminiul ca si strat conductor . A depus un patent in 30 iulie 1959 “ Structura pe baza de Plumb a componentelor semiconductoare” pe care il obtine in 25 aprilie 1961. ( Kilby l-a obtinut in 1964)

Curand a devenit evident ca inventarea circuitului integrat va avea o importanta comerciala foarte mare.


Noyce si cativa colegi de-ai sai isi deschid o companie noua INTEL ( pentru electronice integrate si se centreaza pe obtinerea de Circuite integrate.

Aflarea materialului de legatura a reprezentat motivul unui scandal intre Texas Instruments si Fairchild Electronics/Intel :

Noyce a ales aluminiul ca si material izolator care adera la suprafata pentru proprietatile sale optice iar Kilby a ales aurul ca si material izolator.. Printr-un ordin judecatoresc Fairchild primeste dreptul de patent in 1969. Cu toate acestea companiile au schimbat licentele intre ei .

Kilby si Noyce au fost considerati ca si co –inventatorii circuitului integrat. Noyce devine fondatorul lui “Silicon Valley” dar moare in 1990. Kilby isi continua cariera de inventator.El este co-inventatorul calculatorului de buzunar. Care la inceput nu a prezentat interes comencial.

Microelectronicele se dezvolta odata cu circuitel integrat O alta inventie include si inventarea MOS-FET (Metal-Oxide-

Semiconductor Field Effect Transistor) de D. Kahng si M.M. Atalla si a microprocesorului de T. Hoff

Azi se comercializeaza procesoare cu milioane de tranzistori cu RAM (random access memories ) aproape de 109 bytes per Chip.


Heterostructurile

Un semiconductor cu heterostructuri poate consta din 2 straturi diferite cu benzi energetice diferite, Semiconductorii ce formeaza heterostructurile sunt combinatii de tip Ga-As din familia III-V sau semiconductori de aliaje Si-Ge. Valoarea benzilor energetice de “gap” ( goluri) a diferitilor semiconductori depinde de aplicatie , se ajusteaza prin inlocuirea Ga cu In sau Al , sau a As cu P sau a Sb cu N prin variatia combinatiei de aliaj.

Marginile abrupte dintre straturile de semiconductor se obtin prin diferite metode cum ar fi :

– MBE ( Molecular Beam Epitaxy) – inventat de A.Y.Cho si J.R> Arthur)

– MOVCD (Metallo-Organic Chemical Vapor Deposition ) inventat de Manevit.

– In fiecare din aceste metode , straturile cresc epitaxial ( strat atomic dupa strat , cu o constanta de retea bine stabilita.

Heterostructurile sunt utilizate in obtinerea tranzistorilor utilizati pentru frecventa ridicata si a optoelectronicelor.


Tranzistori cu heterojonctiune

Curentul de amplificare intr-o jonctiune bipolara obisnuita cum ar fi de tip npn se defineste ca raportul dintre curentul de electroni si cel de goluri. Electronii trec rapid prin baza fara sa se recombine . In acelasi timp golurile care se injecteaza de la baza catre emitor limiteaza curentul de amplificare. Dopand baza mai putin creste curentul de amplificare dar in acelasi timp creste rezistenta bazei.

Impreuna cu capacitanta emitor-baza , se obtine o constanta de timp RC mai ridicata si diferite limitari la viteza de operare a tranzistorului.

Figure 6: Diagrama energetica a heterojonctiunii semiconductoare unde se arata ca electronii trec bariera energetica

iar golurile se reflecta sau viceversa depinzand de dopare si de raportul dintre

banda de goluri pe fiecare parte a jonctiunii

Combinand doua jonctiuni este posibil sa se limiteze sarcina in regiunea cu banda

energetica a golurilor mai joasa la fel ca in cazul fotonilor intr-o heterostructura de laser.

(H.Kroemer, Proc. IREE 51, 1782 (1963).)


Un tranzistor bipolar cu heterojonctiune (HBT) difera de unul normal in ce priveste baza , care consta intr-un strat de semiconductor cu o energie mai mica a benzii energetice de goluri . Aceasta duce la scaderea barierei energetice si astfel la o crestere puternica a curentului de electroni .In acelasi timp curentul de goluri este fara sarcina ceea ce duce la obtinerea unui curent de amplificare asa cum este necesar. Pentru a reduce amplificarea , putem dopa baza considerabil de mult si sa o facem extrem de subtire , care sa duca apoi la o descrestere a rezistentei bazei si la constanta RC –timp , deci la un tranzistor mai rapid.


Principiul cresterii eficientei emitorului prin utilizarea unei benzi de goluri mai larga decat baza a fost mentionata de Shockley in patentul sau privind tranzistorul extensiv aplicat in 1948 si obtinut in 1951) si comentat teoretic de Gubanovin 1951. Analiza principala a fenomenului a fost facuta de Herbert Kroemer : el a sugerat o gradare a energiei de goluri in locul unei modificari energetice abrupte la jonctiune si existenta unui camp cuasi electric care sa afecteze diferit electronii si golurile.

Figura 7: Diferite straturi semiconductoare ce reprezinta un High Electron Mobility Transistor HEMT - tranzistor cu eletroni cu mobilitate ridicata , Mobilitatea ridicata a gazului de electroni bidimensional (2DEG) aflat chiar la jonctiunea dintre si poarta de mica lungime permite utilizarea frecventei ridicate a tranzistorilor de zgomot jos.


Electronii din straturile de heterojonctiune patrund prin al doilea strat si formeaza un strat bidimensional de electroni ( 2DEG, gaz electronic bidimensional).

Cum doparea tipica a impuritatilor este este separata de 2 DEG , mobilitatea sa poate fi foarte ridicata.. In efectulde camp al tranzistorului densitatea de sarcina in 2DEG si curentul este controlata de un potential al portii inchise ce corespunde stratului 2DEG. Frecventa la limita a unui astfel de tranzistor HEMT (High Electron Mobility Transistor) numit si MODFET (Modulation Doped Field Effect Transistor) este de 600 GHz ( castigurile dispar). Zgomotul componentelor este foarte scazut.

A fost descoperit in acelasi timp de grupurile de la Bell Labs (R. Dingle et al.), si de cel din Japan (T. Mimura et al.) si de cel din France (D. Delagebeaudeuf et al.) si se foloseste ca aplicatii ale microundelor in comunicatiile wireless , in comunicatiile spatiale , radio si in astronomie.


Componenetele semiconductoare utilizate in heterostructuri dau posibilitatea combinarii tehnologiilor microelectronica , optoelectronica si a microundelor

Un exemplu de receiver fotodetector de viteza inalta ce combina heterojonctiunea unui fotodetector cu electronicele de viteza ridicata pe acelasi tip de chip : cititorul de coduri de bara din supermaket-uri care citesc preturile.


Figure 8: A High Electron Mobility Transistor (HEMT) - a scanning electron microscope picture of the 0.14 micron, mushroom shaped gate made by electron beam lithography (the shape is chosen to increase the cross section of the gate and decrease its resistance). The heterostructure and the two-dimensional electron gas layer is below the gate on the mesa part in the left part of the figure. The right part of the figure shows the completed device, which has 6 gate fingers, each 50 microns long. The actual transistor gave a record low noise temperature of 3 K when used in a 4-8 GHz amplifier.


Laserii si heterostructurile

In 1964 premiul Nobel in fizica se ia de Ch.H. Townes, N.G. Basov, and A.M. Prokhorov pentru activitatea fundamentala in domeniul electronicii cuantice care duce la constructia oscilatorilor si a amplificatorilor bazati pe principiul maser/laser

In 1960 Maiman a incercat sa construiasca primul laser cu rubin In 1962 R.N.Hall descopera laserul cu semiconductori dar eficienta

homojonctiunii de tip pn nu a fost prea ridicata si a necesitat un curent mare la deschidere. . Laserii cu heterostructuri pot fi folositi la temperatura camerei si sunt pe departe tipul de laseri care domina.

Laserii cu heterostrcturi au aplicatii in domenii cum ar fi imprimantele laser, CD –playere si fibrele optice pentru comunicare de mare viteza.

Diodele emitatoare de lumina care utilizeaza acelasi tip de heterostrcturi se numesc diode laser. Se produ pe scara larga si se regasesc in multe produse : semnale de trafic, si in tot felul de displays,

Alte exemple de utilizare a componentelor ce utilizeaza heterojonctiuni si componente optoelectronice sunt fotodetectoare si celule solare si particular pentru inelele de putere ale satelitilor


Principiul laserilor cu heterostructuri sugerat de Kroemer in 1963 ( apoi cel al lui Varian si Palo Alto) ( publicat in Proc. IREE 51, 1782 (1963)) si apoi patentul lui Zh.I. Alferov si R.F. Kazarinov de la Ioffe Physico-Technical Institute, Leningrad (acum St. Petersburg). Sarcina purtatoare care se regaseste in starea de populatie inversata se concentreaza intr-un strat subtire cu o densitate scazuta a benzii de goluri plasata , strat plasat ca intr-un sandwich intre doua benzi de goluri cu densitate ridicata. Practic nu exusta nici un proces de recombinare in afara regiunii actyive unde banda de goluri cauzeaza o variatie a fortei cuasielectrice ce afecteaza electronii si golurile. Mai mult fotonii se limiteaza in regiunea benzii de goluri si indexul de refreactie astfel obtinut e foarte ridicat. Heterostructura actioneaza ca un ghid de unda optic iar pierderile optice din regiunea astfel obtinuta cu o banda de goluri cu densitate ridicata devine neglijabila. Astfel inversarea purtarorilor si a fotonilor cauzeaza un efect de laser care devine un laser activ. Devine astfel posibila descresterea curentului de limitare , ca o operatie continua fara o racire aditionala.

Diferite grupuri de cercetatori au contribuit la dezvoltarea practica a laserilor concept introdus pentru prima data in 1963 si a permis introducerea pentru prima data a laserilor in 1970. O dezvoltare sistematica s-a produs in grupul de cercetatori al lui Alferov la Ioffe Institut . Primele heterostructuri crae au aparut sunt GaAsP/GaAs Au fost inlocuite de AlGaAs/GaAs. Laserii de tip pulsatorii au fost obtinuti folosind o heterostructura in 1968 si astfel grupul de cercetatori care au lucrat la ei au raportat exitenta unui laser care lucrat in mod continuu abia in mai 1970 .


Schimbul de informatii intre rusi si americanii a fost impiedicat de razboiul rece in anii 1960 .

S-au dezvoltat in paralel heterostructuri in laboratoarele industriale de la Bell Labs, IBM, and RCA in the United States – s-au potrivit insa reteaua de structuri, diagramele de benzi si laserii cu o singura heterojonctiune, obtinandu-se laseri cu heterostructuri duble care lucreaza in modul pulsatoriu si continuu.

Grupul lui M.B. Panish de la laboratoarele Bell au castigat cursa obtinand laserul care lucreaza la temperatura camerei in iunie 1970.

Dezvoltarea in continuare a laserilor cu semiconductori a dfevenit produs comercial si a intrat pe piata americana. Cateva grupuri de cercetatori care s-au implicat in aceasta activitate printre care si cel al lui N. Holonyak, Jr., si studentii sai .

VCSEL, vertical cavity surface emitting lasers, utilizeaza heterostructuri pe scara larga.

Laserii care lucreaza in cascada cuantica au fost raportati de F. Capasso, A. Cho si colaboratorii sai in 1994.

Laserii care lucreaza in ultraviolet au fost perfectionati de S. Nakamura care utilizeaza diode care emit lumina in UV ( 1994) si se introduc apoi laserii cu strctura de GaN ( 1996) . In momentul de fata tot spectrul este acoperit.

In prezent de produc sute de milioane de sisteme laser . Laserii folositi la CD playere domina ca numar laserii utilizati in domeniul

comunicatiilor.


Figure 9: The figure shows several types of heterojunction transistor applications within the microwave to millimeter wave spectrum. It was drawn in 1994 and illustrates that within the field of

microelectronics, new devices often reach the market at half the time projected instead of the customary twice the time. Several of the applications are already on the market today, or will soon be. The largest (commercial) breakthrough has occurred in the mobile phone frequency range, which is of

the order of 1 GHz.


Figure 10: A schematic illustration of a blue light emitting laser, where the active layer is a multilayer quantum well structure based on InGaN. AlGaN/GaN modulation-doped strained-layer superlattices (MDSLSs) are used instead of bulk AlGaN cladding layers to confine the photons. The thicknesses of many of the 743 layers of the device have to be carefully controlled.


Figure 11: A schematic representation of a Vertical Cavity Surface Emitting Laser (VCSEL) where the laser light is emitted from the surface perpendicular to the active layer (within which the photons are reflected back and forth) rather than from an edge of the layer. The thicknesses of many of the layers have to be controlled at the atomic layer level. By integrating a grating in the structure, it is possible to shape and direct the emitted beam.


Heterostructurile in stiinta

Structura de tip 2DEG obtinuta la o heterojonctiune dopata selectiv o contributie a cercetarilor fundamentale in fizica . Interesul major pare sa fie pe viitor transportul electronilor in domenii limitate geometric.

Utilizand un camp magnetic puternic aplicat perpendicular structurilor 2DEG K von Klitzing descopera efectul Hall cuantic si primeste premiul Nobel in 1985 pentru probele pe care le-a primit de la M. Pepper si G. Dorda. Utilizand campuri cu valori si mai ridicate , D.C. Tsui si H.L. Stoermer primesc premiul Nobel in 1998 pentru descoperirea efectului Hall cuantic fractionar in materiale MBE ultrapure pe care I le-a pus la dispozitie A.C. Gossard.

Pornind de la structuri 2DEG , electronii se pot limita la sructuri zero si unidimensionale.

cuantificarea conductantei in punctele de contact , localizarea , fenomenul de single electron tunneling, si studiul structurii din atomii si moleculele artificiale par sa fie fenomene fascinante de studiu.

Aproximatiile ingineriei structurilor de banda ( introdus de Capasso ) , utilizarea semiconductorilor cu superstructuri ( a heterojonctiunilor) introduse de L. Esaki care lucreaza impreuna cu colaboratorii sai R. Tsu and L. Chang la inceputul anilor 70. le permite sa ia premiul Nobel in 1973.

Toate acestea duc la o dezvoltare a tehnicilr de obtinere a materialelor cristaline cat mai avansate si in consecinta la dezvoltarea stiintei si tehnologiei.


Pentru viitor

Evolutia microelectronicii permite evolutia societatii datorita evolutiei IT din ultimile decenii. Tehnologia de azi bazata pe Si a inregistrat o evolutie de cateva ori dar continua sa evolueze.Limitarile fizice a materialelor se vor face la dimensiunea atomica . Mai serios va creste costul instrumentatiei si a echipamentelor care se vor utiliza si care se vor miniaturiza. Astfel stiinta va economisi la tehnologii si componente alternative. Dar nici o alegere nu este clara .

Viteza operatyiilor va creste . Frecventa procesoarelor este in prezent la ordinul de 1 GHz ( 1 miliard de cicluri pe secunda). Scopul cercetarii este sa se ajunga la la frecvente de 1 milion de ori ( proiectul petaflop cu 1015 operatii pe secunda). Frecventa mesajelor va creste . Radarele anticoliziune se prevad a functiona pe banda de 70 GHz.

Radioastronomia necesita detectoare de semnale slabe su frecvente ridicate . Viteza detectorilor de particule va creste . In zonele dens populate , oamenii se vor conecta acasa la z benzi inguste de telecomunicatii . Comunicatiile pe fibra si cele mobile vor creste ca importanta.

Microelectronicele si-au crescut productivitatea de sute de ori ( performanta va creste si pretul se va injumatati) in comparatie cu tehnologiile clasice in ultimii 15 ani. Se prevede pe viitor o dezvoltare similara ca si pana in prezent. Tehnologia informatiei si comunicatiei prevede ca pe viitor sa schimbe societatea .


Figure 12: Roadmaps have been published that try to predict the future development of microelectronics

technology.


Bibliografie

Jack S. Kilby, Invention of the Integrated Circuit, IEEE Transactions on Electron Devices, Vol. 23, July 1976, p.648.

Herbert Kroemer, Band Offsets and Chemical Bonding: The Basis for Heterostructure Applications, Physica Scripta T68, 10-16, 1996.

Zh.I. Alferov, The History and Future of Semiconductor Hetrostructures from the Point of View of a Russian Scientist, Physica Scripta T68, 32-45, 1996.


Fizica pentru perfectionarea profesorilor “Profesorul si Scoala Viitorului” Curs Conf.Dr. Mirela...

Documents

Transcript of Fizica pentru perfectionarea profesorilor “Profesorul si Scoala Viitorului” Curs Conf.Dr. Mirela...