Magnificencjo, Szanowni Państwo,

W fizyce dzieje się ostatnio wiele fascynujących rzeczy i o paru z nich chciałam Państwu opowiedzieć.

Weźmy np. komputery – ich moc obliczeniowa podwaja się co 18 miesięcy. Ten niezwykły postęp dokonuje się poprzez zwiększanie liczby tranzystorów w procesorach i pamięci komputerów. Wymaga to miniaturyzacji tych elementów pozwalając na coraz gęściejsze ich upakowanie.

Tu mała dygresja.

Pierwsze lampy elektronowe służące do budowy np. radia miały kilkanaście cm wysokości. W paręnaście lat później w półprzewodnikowych mikroprocesorach na płytce o powierzchni 1 cm2 mieściło się kilkadziesiąt tysięcy tranzystorów. Pierwszy tranzystor wyprodukowano w 1948 r. Obliczono, że gdyby w czasie lądowania aliantów w Normandii w 1944 r. były już znane tranzystory, ciężar przerzuconego na francuski brzeg ekwipunku w przeliczeniu na 1 żołnierza zmalałby w przybliżeniu o 1 tonę.

We współczesnym mikroprocesorze na płytce o powierzchni 1 cm2 mieści się kilka milionów tranzystorów. Wiąże się to z dalszą, olbrzymią miniaturyzacją tych urządzeń i tu pojawia się poważny problem.

Otóż, gdy rozmiary złącz i tranzystorów staną się porównywalne z wielkością atomów, przestaną one działać według zasad fizyki klasycznej, która obowiązuje w makroświecie , a zaczną tam obowiązywać prawa mechaniki kwantowej – komputer działający według zasad mechaniki kwantowej nazywamy komputerem kwantowym. Powiedzmy parę słów o mechanice kwantowej.

Aż do końca XIX wieku fizyka klasyczna rozwijała się szczęśliwie w zgodzie z eksperymentalnymi obserwacjami. Fizycy wpadli nawet w swego rodzaju samozadowolenie, którego wyrazem było między innymi stwierdzenie wygłoszone przez słynnego fizyka Jamesa Clarka Maxwella, że wszystkie najważniejsze problemy wszechświata już właściwie zostały rozwiązane, a ludziom nauki XX wieku pozostaną już tylko prace przyczynkarskie. Zarozumiałość naukowców końca XX wieku została srodze ukarana. Już wkrótce coraz precyzyjniejsze urządzenia pomiarowe pozwoliły badać mikroskopowe obiekty rzędu ułamków nanometrów (1 nanometr (nm) to jedna milionowa część milimetra), a wyniki tych eksperymentów pozostawały w całkowitej sprzeczności z fizyką klasyczną.

W jednym z takich słynnych doświadczeń Ernest Rutheford wykazał, że atomy składają się z jąder i elektronów. Fizyka klasyczna przewidywała, że elektrony krążące po orbitach powinny tracić energię przez wypromieniowanie i poruszając się po spirali spaść na jądro w ciągu małego ułamka sekundy. Tymczasem wiadomo, że nic takiego się nie dzieje i atomy odznaczają się wielką trwałością.

Aby wytłumaczyć ten i inne eksperymenty, które pozostawały w sprzeczności z fizyką klasyczną Max Planck wysunął hipotezę, że energia może być emitowana tylko w postaci skończonych porcji czyli „kwantów” – dało to początek nowej teorii – mechanice kwantowej. Podstawy mechaniki kwantowej zostały opracowane przez takie sławy jak A. Einstein, N. Bohr, E. Schroedinger, W. Heisenberg.

Mechanika kwantowa to była prawdziwa rewolucja w fizyce – dzięki niej udało się wyjaśnić wiele fascynujących zjawisk np. nadprzewodnictwo czyli przepływ prądu bez oporu. Obecnie ok. 30% amerykańskiego produktu krajowego brutto zawdzięczamy wynalazkom opartym na bazie mechaniki kwantowej ( np. lasery w odtwarzaczach płyt kompaktowych, medyczna aparatura diagnostyczna wykorzystująca zjawisko jądrowego rezonansu magnetycznego ).

Wracamy do komputerów.

Klasyczny komputer operuje bitami. Bit to podstawowa jednostka informacji, która przyjmuje wartości 0 lub 1.

Fundamentalną cechą mikroświata opisywanego przez mechanikę kwantową jest możliwość występowania układu w kilku stanach jednocześnie. Dlatego nośnikiem kwantowej informacji jest qubit, którego stan jest złożeniem 0 i 1 w dowolnej proporcji.

Komputer klasyczny wykonuje obliczenia dla określonych danych wejściowych, natomiast komputer kwantowy będzie wykonywał rachunki równoległe dla całego zestawu danych. Będzie to oznaczało ogromne przyspieszenie jego pracy, powinien on rozwiązywać w parę sekund zadania, na które komputer klasyczny potrzebowałby kilkuset lat; co więcej , komputer kwantowy pomoże nam wybrać optymalne rozwiązanie, stąd niektórzy naukowcy twierdzą, że komputery kwantowe pozwolą stworzyć sztuczną inteligencję czyli urządzenia umiejące myśleć.

Komputery kwantowe istnieją dotychczas jedynie w teorii – opracowano zasady ich funkcjonowania, przygotowano oprogramowanie, trwają intensywne prace nad zbudowaniem urządzenia zdolnego operować qubitami.

Obiektami o bardzo małych rozmiarach, które mają dużą szansę znaleźć zastosowanie w komputerach kwantowych są nanorurki węglowe. Są to niezwykle cienkie ( rzędu 1 nm ) i bardzo długie (~ 103 nm ) makrocząsteczki węgla. Można je sobie wyobrazić jako zwinięte w rulon warstwy grafitu – tego samego grafitu, który stanowi ostrze ołówka. Nanorurki mają niezwykłe właściwości:

• posiadaja bardzo dużą odporność na rozciąganie i zginanie – jest ona wielokrotnie większa niż odporność najlepszych gatunków stali, co więcej, po ustaniu działania siły np. zginającej nanorurka wraca do pierwotnego kształtu,
• mogą przewodzić prąd o tak dużej gęstości, że spowodowałby on wyparowanie złota lub miedzi,
• posiadają bardzo dobre przewodnictwo cieplne, co może pomóc w odprowadzaniu ciepła z elementów elektronicznych – przegrzewanie tych elementów jest obecnie dużym problemem i ograniczeniem.

W czasie, gdy przygotowywałam ten wykład, nadeszło doniesienie z Politechniki w Delft o zbudowaniu tam tranzystorów z nanorurek węglowych, w których jeden elektron wystarcza do przełączenia tranzystora w stan przewodnictwa – taki tranzystor zużywa o wiele mniej energii i co ważne, pracuje w temperaturze pokojowej.

Nanorurki mogą mieć zastosowanie nie tylko w elektronice:

• nanorurka umieszczona na końcu ostrza pomiarowego mikroskopu sił atomowych zwiększa jego zdolność rozdzielczą ok. 10 razy pozwalając badać mikroobiekty w tym np. spiralę DNA,
• skonstruowano już nanopęsety pozwalające manipulować obiektami o średnicy 500 nm,
• puste wnętrza nanorurek mogą służyć do przechowywania jonów np. litu, umożliwiając budowę akumulatorów o bardzo długim czasie działania,
• w przyszłości nanorurki mogą znależć zastosowanie w produkcji superwytrzymałych materiałów i jeżeli puścimy wodze fantazji, możemy sobie wyobrazić samochody, których karoseria zbudowana z dodatkiem nanorurek wraca po wypadku do pierwotnego kształtu, czy domy, które podczas trzęsienia ziemi wyginają się , ale nie rozpadają się.

To na razie tylko science fiction, ale przecież wiele z takich naukowych marzeń stało się rzeczywistością, jak chociażby niedawna operacja wykonana przez chirurga w Nowym Yorku na pacjentce leżącej na stole operacyjnym w Strasburgu. Co ciekawe, czas przekazu sygnału z Nowego Yorku do Strasburga był krótszy, niż 0.2 s, czyż to nie jest fantastyczne?

Podsumowując, nanorurki, te małe obiekciki, bo trudno nazwać je obiektami, są czymś niezmiernie frapującym i myślę, że wiele niespodzianek dotyczących ich własności i zastosowań jeszcze przed nami.

Chciałam tu powiedzieć, że w Instytucie Fizyki naszego Uniwersytetu jest grupa (do której ja należę) zajmująca się badaniem nanorurek, dostaliśmy właśnie 3-letni grant z Komitetu Badań Naukowych i mamy nadzieję, że uda nam się zrobić coś ciekawego.

Na zakończenie chciałam wspomnieć, że równolegle do badań nanorurek rozwija się inna gałąź elektroniki molekularnej – konstruuje się tworzywa sztuczne, takie jak plastik, które przewodzą prąd, a więc wkrótce otrzymamy plastikowe druty – dużo lżejsze i odporne na zginanie. Dzięki nim pojawią się np. komputery, które będzie można zwinąć w rulon i upchnąć kolanem w teczce bez obawy ich uszkodzenia.

Zakład Fizyki Teoretycznej
Uniwersytetu Śląskiego