Компьютерра - Журнал «Компьютерра» № 17 от 09 мая 2006 года
Кремний плохо приспособлен для излучения света, и несмотря на значительные усилия по созданию кремниевого лазера и даже некоторый прогресс в этой области, тут пока все еще слишком далеко от практических приложений. А обычные лазеры из других полупроводников вроде арсенида галлия трудно встроить в кремниевый чип из-за различий в свойствах кристаллической решетки полупроводников.
Не исключено, что новая разработка поможет решить эту проблемы. Ученые изготовили суспензию из наночастиц сульфида свинца в гексане. Такие наночастицы размером несколько нанометров можно сделать практически одинаковыми. Их размер во многом и будет определять длину волны излучаемого света. Наночастицы играют роль квантовых точек, возбуждаясь и излучая подобно отдельным атомам. При диаметре частицы сульфида свинца 4,5 нм лазер излучает на привычной для телекоммуникаций длине волны в 1,5 мкм.
Суспензию наносят на любую подложку — кристаллическую или аморфную, гладкую или шершавую, а затем высушивают, получая пленку толщиной около микрона, которая и становится лазером. Несмотря на первоначальные опасения, потери на рассеяние и поглощение в пленке оказались малы, и пленочный лазер вышел достаточно эффективным. Лазеры удалось изготовить не только в виде плоского волновода, но даже выращивая на внутренней поверхности капилляра. Эксперименты показали, что длина волны излучения таких лазеров очень слабо зависит от температуры и бьет все рекорды для похожих полупроводниковых систем.
К сожалению, в первых экспериментах пленку пришлось охлаждать; генерации излучения при температуре выше минус 23 градусов Цельсия пока получить не удалось. Кроме того, для накачки пленочного лазера использовался другой лазер с длиной волны 0,8 мкм. Но канадские ученые надеются, что вскоре эти трудности будут преодолены и подобные «рисованные» лазеры станут встраиваться в обычные кремниевые чипы. — Г.А.
Квантовый маятник НьютонаФизикам из Пенсильванского университета впервые удалось получить одномерный газ, который никогда не приходит в состояние равновесия.
Время, как известно, бежит только в одну сторону. Молекулы капельки чернил в стакане воды разбредаются по всему стакану, но не могут опять собраться в каплю. Два газа в баллоне с перегородкой перемешиваются, если перегородку убрать, но не способны снова разделиться. Тем не менее лежащие в основе всех этих процессов законы механики классической или квантовой обратимы во времени. И это противоречие между поведением больших систем, всегда эволюционирующих в одном направлении, стремясь к состоянию так называемого термодинамического равновесия, и обратимыми законами микромира ученые не могут разрешить уже почти полтора века. А от решения этой проблемы зависит, например, возможность создания квантовых компьютеров. Необратимые процессы разрушают нежные квантовые вычисления — и тем быстрее, чем больше атомов участвует в этих процессах. И вот теперь удалось создать достаточно большую квантовую систему из нескольких десятков и даже сотен атомов газа рубидия, которая удивительно долго не стремится к состоянию равновесия.
Существование таких систем в одном измерении теория предсказывала давно. Исследователи охладили газ почти до абсолютного нуля, заставив атомы собраться в так называемый квантовый конденсат Бозе-Эйнштейна. Газовое облако захватили в оптическую ловушку из лазерных лучей, интерферирующих друг с другом так, чтобы ловушка имела форму тысяч параллельных трубок. В них атомы колеблются только в одном измерении — вдоль трубы, сталкиваясь лишь со своими соседями. Это очень похоже на известную игрушку — маятник Ньютона, состоящий из нескольких подвешенных в ряд на нитках металлических шариков, которые могут сталкиваться друг с другом. Великий английский физик придумал ее для демонстрации закона сохранения импульса, передающегося от шарика к шарику при столкновениях. И так же, как в маятнике Ньютона, если атомы рубидия «толкнуть» лазером, они очень долго будут колебаться и сталкиваться, не приходя в состояние термодинамического равновесия с одинаковым для всех атомов распределением скоростей. Атомы в эксперименте могли сталкиваться несколько тысяч раз, тогда как в обычной ситуации уже нескольких столкновений вполне достаточно, чтобы достичь равновесия.
Теперь ученым предстоит понять, как происходит переход к хаосу и равновесию, если систему из одномерной постепенно делать двух— и трехмерной (для этого достаточно ослабить лазерные лучи, позволив атомам туннелировать между соседними трубками).
Эксперименты имеют и важное практическое значение. Такие конфигурации из сотен атомов могут стать сверхточными детекторами силы и прекрасными атомными интерферометрами. Сейчас трудно загадывать, но вполне возможно, что на основе похожих экспериментов могут быть реализованы и квантовые вычисления. — Г.А.
Робот в интересном положенииПереполох в акушерском отделении одной из калифорнийских больниц не был вызван тяжестью осложнения — небольшая двадцатиминутная операция, и все в порядке. Собраться любопытствующих побудил интерес к объекту стараний медиков — разрешавшемуся от бремени роботу по имени Ноэль (Noelle).
Обязанность «не в шутку занемочь» прочно заняла место в списке профессий, осваиваемых нашими компьютеризированными помощниками. Причем хворать они должны по полной программе, со всеми мыслимыми симптомами, вариантами течения процесса и осложнениями. Ноэль, плод стараний фирмы Gaumard Scientific, — пока что единственный высокотехнологичный симулятор родов.
Симпатичную блондинку среднего роста, как и положено, подключают к монитору для наблюдения за дыханием и пульсом. Оценивающий работу врачебной бригады экзаменатор сидит в углу с ноутбуком, вводя через командную строку варианты осложнений и перепрограммируя процесс на ходу. Пластиковая кукла, производимая роботом на свет, может быть здоровым розовым малышом, а может иметь повреждения или быть синюшной от недостатка кислорода. А уж если сценарий предусматривает внезапное обильное кровотечение, мало не покажется никому.
«Мы беззастенчиво слизываем все хорошие тренинговые программы», — признается доктор Пауль Престон (Paul Preston). Его можно понять — лучше многочасовые занятия с роботом, чем риск ошибиться в реальной работе с пациентом. И в самой дорогостоящей в мире американской медицине роль человеческого фактора велика: Институт медицины Национальной академии наук, который трудно заподозрить в поиске дутых сенсаций, говорит о десятках тысяч фатальных врачебных ошибок в год.
Роботизация составляет основу продвигаемой Джуди Харрис (Judy Harris) из британского Бристольского университета новой концепции медицинского образования, предполагающей, что напичканные электроникой манекены должны заменить людей в качестве «подопытных кроликов» для оттачивания мастерства молодых эскулапов. Роботы, страдающие сердечной аритмией или впадающие в шоковое состояние, уже приступают к исполнению своих обязанностей. Всем нам приходилось на каких-нибудь курсах или по телевизору видеть, как проводится реанимация. Шотландский врач Эндрю Томсон (Andrew Thomson) считает, что телевизионные уроки выглядят не как в жизни, а «как в кино»: короткая серия ритмических движений по поддержанию искусственного дыхания и непрямому массажу сердца — и человек ожил. Коллеги согласны — рисуемая СМИ картина чересчур оптимистична и вызывает у людей неоправданные ожидания. А вот если бы на демонстрациях вместо примитивной пластиковой куклы был настоящий электронный симулятор, он «оценил» бы правильность реанимационных действий, достигаемый при этом уровень газообмена и кровотока, содержание кислорода в мозге и показал бы, чего можно ожидать на самом деле.
Фонд Билла и Мелинды Гейтс, поддерживающий продвижение новых принципов обучения, выделил миллион долларов на использование робота Ноэль в Афганистане, где показатели ранней детской смертности одни из худших в мире. Опыт оказался не слишком успешным: пришлось столкнуться с непривычными для организаторов трудностями — например, перебоями с электричеством (одну из Ноэль даже перевели на механическую тягу). В США же человекоподобный акушерский симулятор внедрен уже в десятках клиник и скоро может стать стандартным средством обучения. — С.Б.
Шаг к искусственной железеФирма Medtronic MiniMed получила добро на практическое применение нового устройства, которое позволяет системе автоматического введения инсулина следить за уровнем глюкозы в крови. Таким образом, медики еще на шаг приблизились к моменту создания искусственной поджелудочной железы, способной замещать важнейшую функцию этого органа — эндокринную.
Диабетом страдают около 20 млн. американцев; ежегодные потери и затраты, обусловленные болезнью, превышают 130 млрд. долларов. Проблема не решается простым устранением дефицита инсулина — беда в том, что организм теряет способность гибко подстраивать выделение гормона под текущие потребности. Если инсулина меньше, чем нужно именно на данный момент, — блокируется вход глюкозы в клетки, и она в избытке циркулирует в крови, в то время как ткани задыхаются от недостатка «топлива». Но и введение излишнего количества гормона опасно — мышцы и другие органы начинают усиленно захватывать глюкозу, обкрадывая мозг. Учитывая это, пациенты с тяжелой формой диабета регулярно меряют уровень сахара в крови. Обычно делают два анализа в день, иногда больше. Однако исследования показывают, что даже люди, корректирующие свое лечение на основе десятикратных ежедневных замеров, порой лишь треть всего времени находятся в оптимальном коридоре уровня сахара крови. В новом приборе вживленный под кожу сенсор делает отсчеты ежеминутно, более тысячи раз за сутки, регистрируя как уровень глюкозы, так и его внезапные подвижки в ту или иную сторону. Вовремя предупрежденный пациент имеет возможность отреагировать изменением физической нагрузки, режима приема пищи и лекарств — а может быть, и переключить инфузионную систему с автоматического режима на ручной и изменить параметры введения инсулина (самому прибору пока не доверяют принимать столь ответственные решения).
