Сегодня, изменяя тонкими технологическими методами физические свойства микроскопических участков полупроводника и формируя таким образом невидимые глазу детали, создают интегральные электронные схемы, где в кристалле размером с клеточку арифметической тетради размещаются десятки и даже сотни тысяч сложным образом соединенных элементов. Сейчас это элементы микронных размеров, но уже идет речь о субмикронной технике. Один из движущих прогресс факторов — увеличение быстродействия электронных устройств, в частности вычислительных, ведь работать приходится со все более кратковременными сигналами. Но даже такой рекордно быстрый переносчик информации, как электрический сигнал, распространяющийся со скоростью света, начинает запаздывать, если не уменьшить расстояние, которое он должен пройти внутри элемента. Например, есть приборы, где циркулируют импульсы длительностью порядка 10—20 пикосекунд. Двигаясь со скоростью света, они за время своего существования проходят расстояние всего в 3—6 миллиметров; значит, размеры прибора должны быть еще меньше, если мы не хотим мириться с запаздыванием сигнала, соизмеримым с его длительностью.

Дальнейшее уменьшение размеров интегральных схем требует радикального обновления технологии и в то же время решения ряда серьезных, чисто физических проблем. Электроника постепенно движется к ангстремным масштабам деталей схемы, а возможно, и к молекулярным структурам, чем-то уже напоминающим структуры биологические, сохраняя при этом одно из главных своих достоинств — технологичное массовое автоматизированное производство сложнейших электронных блоков.

Из физики твердого тела выделяется сейчас важное самостоятельное направление фундаментальных и прикладных исследований — физика поверхности. Уже довольно давно изучены объемные свойства кристаллов, аморфных твердых тел, жидкостей, а сейчас мы подошли к изучению свойств, как принято говорить, чистой поверхности. В значительной мере эта возможность определилась успехами научного приборостроения. Появились приборы с разрешающей способностью порядка ангстрема, и теперь можно видеть, как на поверхности тела распределены входящие в него химические элементы. Можно, например, видеть, как та или иная молекула «садится» на поверхность катализатора, каким образом с ним соединяется; можно в деталях видеть, как происходит коррозия, как между зернами металла просачиваются те или иные вещества — и те, что разрушают металл, и те, что защищают его.

При этом обнаруживаются удивительные вещи. Выясняется, что коррозионную стойкость металла могут резко повысить ничтожные количества некоторого вещества, в сто раз меньшие, чем нужно, чтобы покрыть всю поверхность металла мономолекулярным слоем этого вещества. Есть основания полагать, что глубокое понимание процессов, происходящих на поверхности, может открыть новые возможности для многих областей техники и технологии, в том числе химической.

Еще одна область физики, которая произведет, и даже уже производит, революционные преобразования в технике, — это квантовая электроника. Ее наиболее известное детище — лазер — дает мощный и концентрированный поток электромагнитного излучения, в частности, в оптическом или инфракрасном диапазоне. Лазерный луч — переносчик энергии. И в этом своем качестве может делать много разных полезных дел: плавить или сваривать металл, закаливать его поверхность, резать, нагревать, сверлить отверстия и т. п. Однако от всех других инструментов энергетического воздействия на вещество лазерный луч отличается тем, что энергия в нем находится в особо упорядоченном состоянии, в виде когерентного (согласованного) монохромного (одночастотного) излучения. С этим связаны специфические механизмы взаимодействия лазерного луча с веществом и некоторые не воспроизводимые иными способами эффекты. Здесь хочется провести такое сравнение, может быть, не очень точное, но зато образное: воздействие лазерного луча можно сравнить с музыкой, с определенным образом упорядоченными звуковыми волнами, которые в отличие от скрежета и шума совершенно по-особому действуют на человека.

Физика в наступлении

Направляя лазерный луч на вещество, можно изменять свойства этого вещества, например, получать новую структуру поверхности, значительно более твердую, а часто иного химического состава: за малое время, в течение которого лазерный луч расплавляет тончайший поверхностный слой, не успевают пройти процессы сегрегации, процессы разделения фаз, не успевают вырасти кристаллические зерна. Лазерной обработкой удавалось, в частности, получать поверхностный слой металла не в кристаллическом, а в стеклообразном, аморфном состоянии, а такая поверхность устойчива к коррозии, обычно распространяющейся по границам зерен.

Конструкторам и технологам многих областей, прежде всего машиностроения, еще предстоит оценить достоинства многообразных лазерных методов обработки материалов. Примерно 20 лет назад в Институте физики высоких давлений были созданы первые искусственные алмазы, и это послужило началом становления в стране промышленности искусственных алмазов, которые, в свою очередь, революционизировали металлообработку. Подобно этому сейчас пришло время создания лазерной обрабатывающей промышленности.

Лазер — прибор, родившийся в физической лаборатории, — можно смело назвать детищем квантовой механики, которая была в свое время одним из наиболее абстрактных разделов физики. На примере лазера особенно хорошо видно, как, казалось бы, абстрактные физические идеи помогают человеку создавать нужные ему приборы. Сегодня диапазон практического применения лазеров огромен — от глазной хирургии до тончайшего измерения космических расстояний, от больших телевизионных экранов до геодезии. Все области даже перечислить трудно, но о двух хочется сказать.

Первая — спектроскопия. Используя лазер с плавно изменяемой частотой (было время, когда само изменение частоты лазера считалось принципиально невозможным, первые лазеры работали на строго фиксированной частоте, которую определял тип излучающего материала), можно нащупать резонанс с энергетическими уровнями облучаемого вещества. А определив по резонансным частотам эти уровни, можно судить о том, с каким именно веществом мы встретились и в каком состоянии оно находится. Совершенство метода, развиваемого в Институте спектроскопии совместно с Ленинградским институтом ядерной физики, доведено практически до предела — удается прощупывать отдельные атомы, определять их состояние за очень короткое время, в частности, в процессе радиоактивного распада. Высокая чувствительность лазерных спектроскопов конкурирует с легендарной способностью собаки различать запахи. И есть основания считать, что такие приборы найдут разнообразное применение, например, для поиска нефти и газа и наверняка для контроля за чистотой окружающей среды.

Лазерная спектроскопия должна быть ценным инструментом для теоретической и практической химии. Дополняя, а в чем-то перекрывая другие спектроскопические методы, она сможет многое рассказать о деталях химических превращений, в частности, показать подробно, поэтапно, как протекает реакция во времени. Уже ушла в историю традиционная химия, когда что-то смешивали в колбе, изучали конечный продукт и, фантазируя, домысливали, как мог идти процесс. Теперь химик хочет знать анатомию реакции, точнее — ее физиологию, хочет знать, что, когда и как происходило на молекулярном и атомном уровне, — именно такие знания, добываемые, как правило, совершенными физическими приборами, открывают путь к созданию новых материалов и эффективных химических процессов.

Вторая область, о которой хочется сказать несколько слов, — лазерное разделение изотопов. Идея здесь, в общем, та же, что и в спектроскопии. Изменяя частоту излучения, в смеси изотопов нащупывают резонанс с атомами строго определенной массы, то есть с одним из изотопов. Затем эти атомы определенным образом помечают и отделяют от других. Разделение изотопов, в частности изотопов урана 235 и 238, было одной из самых трудных проблем зарождающейся атомной промышленности. Проблема эта решалась сложными традиционными методами, как правило, в крупных промышленных установках. Лазерные методы открыли в этой области принципиально новые возможности для выделения нужных изотопов из большого многообразия веществ. Это очень ценно в связи с большим вниманием, которое привлекают сейчас стабильные изотопы — именно стабильные, а не радиоактивные, сигнализирующие о своем присутствии непостепенным распадом, то есть не всегда уместным радиоактивным излучением. Стабильные изотопы, если научиться их получать в достаточных количествах и точно детектировать, могут заменить радиоактивные «метки» во многих областях исследований, в частности в медицине, биологии, химии. Совместными усилиями Института спектроскопии и Института атомной энергии в Грузии создана первая и пока, кажется, единственная в мире небольшая фабрика по лазерному разделению изотопов, которую наверняка со временем будут называть первенцем лазерно-изотопной индустрии.