Итоги № 5 (2012)
Шрифт:
Перспективный материал
Стоит напомнить, что полученный в 2004 году Андре Геймом и его коллегой Константином Новоселовым графен практически сразу признали суперматериалом. Состоящий из атомов углерода, он оказался не менее ценным, чем родственный ему алмаз. И все благодаря двухмерной структуре графена, толщина которого составляет всего один атом. Графен считается очень гибким и самым прочным из наноматериалов — его прочность на разрыв в 200 раз выше стали. Но самое главное — носители заряда в графене практически не имеют массы, что приближает их по данному показателю к частицам света фотонам. Это уникальное свойство подразумевает высокую подвижность электронов и может соответственно обеспечивать высокую скорость передачи информации. Немудрено, что детищу Гейма — Новоселова сразу же отвели роль чуть ли не революционера в области передовой электроники. Но почему же при всех преимуществах графена физикам так важно было его намагнитить?
Дело в следующем. Использование графена представляется наиболее перспективным в спинтронике, которую называют электроникой XXI века.
В электронике за единицы и нули отвечают сигналы: сигнал есть — это единица, сигнала нет — ноль. В спинтронике важно именно то, в какую сторону направлена поляризация спина. С помощью магнитного поля ее можно менять, чтобы по заказу получать единицу или ноль. А вот отсеивать единицы и нули, чтобы использовать их в программировании, физики научились с помощью так называемого магнитного туннельного перехода. «Допустим, мы пытаемся пропустить ток между двумя электродами, — поясняет Александр Гойхман. — Если в электронике это будет просто поток электронов от одной точки до другой, то в спинтронике между ними обязательно должен находиться диэлектрик, или слабопроводящее вещество». В обычных условиях диэлектрик не пропускал бы ток, но с учетом законов квантовой электроники, на которых зиждется спинтроника, и появляется так называемый туннельный эффект. То есть при одних условиях барьер из диэлектрика не пропускает электроны, при других — пропускает электроны только с определенным направлением спина. Так, собственно, и появляется возможность получить элемент памяти, записанный магнитным полем.
Минус на минус
Сама автор открытия, Ирина Григорьева, скромно отмечает: «Я бы не стала называть это открытием, это лишь важный этап развития в области магнетизма углерода». По ее словам, успеха команде удалось добиться лишь благодаря тому, что в случае с графеном сработал принцип — минус на минус дает плюс. Сначала исследователи выбили с помощью высокоэнергетических протонов из кристаллической решетки графена атомы углерода. Полученные вакантные места начали замещать таким же немагнитным фтором, однако два элемента в сочетании придали графену магнитные свойства, которые, правда, оказались весьма скромными. Дальнейшее добавление атомов фтора увеличивало эффект, но такой графен, по словам Андре Гейма, оказался не сильнее магнита, что крепится на холодильник. А при определенной концентрации атомов фтора они начинали компенсировать магнитные моменты друг друга, и магнетизм пропадал вовсе. К тому же их концентрация в решетке была столь велика, что полученный материал назвать графеном можно было с большой натяжкой. Однако сам факт того, что к списку многочисленных достоинств материала добавилась возможность превращаться в магнит, дает пространство для дальнейших маневров и новых прорывов. И нет сомнений, что они будут — над магнетизмом графена колдуют и британские, и американские, и немецкие специалисты.
Сегодня в качестве электродов, поляризацию которых можно варьировать с помощью магнитного поля, применяют ферромагнетики, и они со своей задачей вроде бы неплохо справляются. Принцип магнитного туннельного перехода используется в создании считывающих головок в жестких дисках и базовых элементов оперативной памяти, которая выбирает данные в 5 раз быстрее, чем флэш-память, и на три порядка быстрее записывает данные, потребляя при этом вдвое меньше энергии. Разработками в этой области занимается целый ряд крупных производителей компьютерной техники, однако специалисты признаются, что получившие распространение ферромагнетики, в основе которых лежит металл, не обладают возможностью усилить сигнал. Настоящим прорывом стало бы появление материала, обладающего свойствами ферромагнетика и полупроводника, то есть способного, с одной стороны, менять спиновую поляризацию при воздействии магнитного поля, а с другой — легко интегрироваться с обычными полупроводниковыми устройствами. Намагниченный графен — материал именно из этой серии. Теперь, когда исследователи узнали, что графен можно сделать магнитным, пусть и при определенных условиях, появились шансы на то, что именно он станет тем идеальным материалом для спинтроники, которая сделает технические устройства еще умнее, быстрее и экономичнее. И хотя сами авторы исследования пока говорят больше о фундаментальном, нежели прикладном значении исследования, очевидно, что гонка компьютерного вооружения теперь сосредоточится на материале, который его создатели скромно сравнивают с сеткой, используемой в качестве ограды на птичьих дворах.
Максим Морозов
Проклятьем заклейменный / Общество и наука / Общество
Люди с улицы
Вначале тоже была улица. Только лондонская, Уайтхолл — ее название стало нарицательным обозначением британского правительства. Именно среди госслужащих Великобритании отобрали в 1967 году 18 тысяч участников первого эксперимента. В течение десятка лет ученые скрупулезно регистрировали заболеваемость и смертность в этой группе, надеясь найти подтверждение гипотезе о том, что хронический стресс вызывает болезни. В принципе так и оказалось, однако исследователей ждал сюрприз. «Сначала мы предполагали: чем выше социальный статус служащего, тем больше у него стресс и выше смертность, — говорит директор Международного института общества и здоровья профессор эпидемиологии и здравоохранения Лондонского университетского колледжа (UCL) сэр Майкл Мармот, которому исследование «Уайтхолл» принесло не только научную славу, но и звание рыцаря. — Однако, ко всеобщему изумлению, мы увидели данные, которые поначалу сочли просто невероятными». Все оказалось ровно наоборот. Подчиненные умирали чаще, чем начальники! Чем ниже был статус служащего, тем выше для него оказывался риск заболеваний сердца и многих других болезней. Разница в уровне смертности между чиновниками, занимавшими верхние и нижние ступени карьерной лестницы, оказалась троекратной. И это было не только различие между верхушкой и низами, как многие могли бы подумать. Выяснилось, что дело вовсе не в том, что богатым доступна хорошая медицина, а бедным нет. Речь шла о государственных служащих, имеющих доступ к одинаковым страховкам. Важно другое: существование так называемого социального градиента — постепенного, пошагового изменения показателей здоровья и длительности жизни в зависимости от статуса человека.
Открытие было настолько поразительным, что работы в этой области решили продолжить. Сегодня проделана целая серия уайтхолловских исследований не только в Великобритании, но и за ее пределами — в Финляндии и Японии. Идут разговоры о том, чтобы провести «Уайтхолл» в Вашингтоне. «Изучая здоровье людей, мы можем кое-что узнать об устройстве общества, а изучая устройство общества, можем что-то узнать о здоровье», — считает сэр Мармот. Пока основные выводы исследователей таковы: чем выше социальные контрасты в определенной стране, тем больше разница в уровне смертности между верхушкой и низами. Например, в шотландском Глазго ожидаемая продолжительность жизни тех, кто находится внизу социальной лестницы, сейчас составляет 54 года, в то время как у представителей элиты есть все шансы дожить до 82 лет. А вот в Финляндии, где различия в положении высокопоставленных и рядовых служащих не такие большие, разница в смертности между верхами и низами меньше — не в три, как в Великобритании, а только в два раза.
Но самое удивительное заключается в другом. Ученые выяснили, что в тех странах, где общий уровень социально-экономического неравенства самый низкий, дольше живут все — и низы, и верхи. И общее здоровье населения там значительно лучше. Это хорошо заметно, если сравнить страны, приблизительно равные по доходам на душу населения. Так, в странах Скандинавии и в Японии, где население в основном однородное, общая заболеваемость сердечно-сосудистыми и психическими заболеваниями, количество случаев ожирения, распространенность вредных привычек гораздо меньше, чем в США и Великобритании, где доходы на душу населения не меньше, но социальные контрасты разительнее. То есть неравенство плохо влияет не только на «низших», но и на «высших». Почему? Ученые смогли догадаться о причине, когда поближе присмотрелись к природе социального доминирования.
Три минуты крика
На этот раз пригодились удивительные вести из мира животных. Уайтхолловские исследования уже шли полным ходом, когда профессор биологических наук, неврологии и неврологических наук Стэнфордского университета Роберт Сапольски начал изучать поведение близких родственников человека — африканских бабуинов. Эти животные имеют очень жесткую социальную структуру стаи. Самцы, занимающие низшие ступени иерархии, испытывают хронический стресс из-за постоянной агрессии соплеменников, принадлежащих к верхушке стаи. Неудивительно, что в крови самцов, не попавших в элиту, гораздо больше гормонов стресса: постоянный подъем их уровня увеличивает риск заболеваний. Сапольски связывает стресс с нарушением гомеостатического баланса — координации физиологических процессов, поддерживающих устойчивое состояние организма. Однако у большинства животных это состояние кратковременное. «Для 99 процентов зверей на планете стресс — это три минуты крика, после которых или ты с кем-нибудь покончишь, или с тобой покончат», — объясняет Роберт Сапольски. Однако в стае бабуинов возникают другие возможности. Находясь в ней, можно потратить только три часа в день на поиски пищи и не особо бояться хищников. Что это значит? «У тебя появляется девять свободных часов в день, чтобы создавать психологический стресс для других животных из стаи, — объясняет Сапольски. — В этом бабуины похожи на людей. Они совсем как мы. Им угрожают не голод и хищники. Они угрожают друг другу».