В Университете Лафборо в Англии сделали «самую маленькую скрипку в мире». Играть на ней нельзя, это только макет.
Но действительно микроскопический: «музыкальный инструмент» из платины имеет длину всего 35 микрон и ширину 13 микрон. Для сравнения: диаметр человеческого волоса обычно колеблется от 17 до 180 микрон, а любимые учеными тихоходки достигают от 50 до 1200 микрон в длину.
Миниатюрная скрипка была создана в качестве пробного проекта, чтобы продемонстрировать возможности новой системы нанолитографии — передового комплекса технологий, позволяющего исследователям создавать и изучать структуры на наноуровне. Эта машина будет поддерживать различные исследовательские проекты, направленные на поиск новых материалов и методов для разработки следующих поколений вычислительных устройств.
«Хотя создание самой маленькой скрипки в мире может показаться забавной игрой, многое из того, что мы узнали в процессе, на самом деле заложило основу для наших текущих исследований, — объясняет возглавляющая факультет физики профессор Келли Моррисон. — Наша система нанолитографии позволяет проводить эксперименты, которые исследуют материалы различными способами — с использованием света, магнетизма или электричества — и наблюдать за их реакцией. Как только мы поймем, как ведут себя материалы, мы сможем применять эти знания для разработки новых технологий, будь то повышение эффективности вычислений или поиск новых способов получения энергии. Но сначала нам нужно понять фундаментальную науку, и именно это позволяет нам сделать система».
Почему скрипка?
Наноскрипка стала шутливой отсылкой к пословице: «Слышишь, как самая маленькая скрипка в мире играет специально для тебя?» — обычно используемой, чтобы высмеять преувеличенные жалобы или чрезмерно драматичные реакции. Фраза часто сопровождается жестом, имитирующим игру на крошечной скрипке между большим и указательным пальцами.
Это выражение впервые появилось на телевидении в 1970-х годах в сериале «МЭШ», было популяризировано мультсериалами о Губке Бобе и Симпсонах, звучало в песнях и окончательно стало мемом благодаря глубокому анализу его происхождения от ClassicFM.
Как ее создали?
В основе занимающей целую лабораторию университета нанотехнологической системы — NanoFrazor, передовая наноскульптурная машина от Heidelberg Instruments. Она использует термосканирующую зондовую литографию — технику, при которой нагретый иглоподобный наконечник «рисует» высокоточные узоры на наноуровне.
Профессор Моррисон описала процесс создания наноскрипки пошагово в своем блоге. Небольшую кремниевую подложку покрыли двумя слоями гелеобразного фоторезиста. Затем поместили ее в NanoFrazor, который с помощью нагретого острия выжег узор скрипки на поверхностном слое.
После травления рисунка резист проявили, растворив незащищенный нижний слой, чтобы оставить полость в форме скрипки. Затем на чип нанесли тонкий слой платины, и окончательная промывка в ацетоне удалила оставшийся материал, открыв готовую скрипку.
Система полностью герметична и использует перчаточный бокс и набор соединенных камер, поскольку важно предотвратить воздействие влаги и пыли на чувствительные исследования. Чтобы поддерживать контролируемые условия, чип аккуратно перемещали между камерами с помощью небольших металлических рычагов, управляемых снаружи.
Создание одной скрипки с помощью системы нанолитографии занимает около трех часов, хотя окончательная версия потребовала нескольких месяцев для отработки и тестирования различных техник. Готовое изделие не больше пылинки на чипе и может быть детально рассмотрено только под микроскопом.
Зачем это нужно?
Два исследовательских проекта Университета Лафборо уже используют систему нанолитографии.
Управление теплом в чипах
Одна из основных проблем современной цифровой технологии — повышение эффективности при одновременном уменьшении размера устройств и увеличении скорости обработки. Ключевой вопрос — управление теплом: современные устройства потребляют значительное количество электроэнергии, и большая ее часть выделяется в виде тепла.
Однако тепло — это не обязательно недостаток. В правильных условиях — особенно когда оно распределено неравномерно, например, одна сторона устройства горячая, а другая остается холодной — оно может создавать полезные физические эффекты, которые можно использовать для более быстрого и энергоэффективного хранения и обработки данных.
Система нанолитографии помогает точно наносить узоры и интегрировать несколько материалов и функций в одно устройство с правильно выстроенными температурными градиентами — что критически важно для создания вычислительных устройств будущего.
Магнитная память
Самый распространенный тип магнитной памяти на сегодня — жесткий диск. По мере повышения плотности записи каждый отдельный бит становится все слабее и нестабильнее. Это усиливает потребность в эффективных сенсорах и делает необходимым исследование новых материалов, способных надежно работать на наноуровне.
Новые квантовые материалы, изготовленные при помощи нанолитографа, позволят создавать более компактные, быстрые и надежные магнитные устройства памяти, которые найдут применение не только в технологиях хранения данных, но и в передовых вычислительных технологиях, вдохновленных работой мозга.
«Я очень рада уровню контроля и возможностям, которые у нас есть с этой установкой. С нетерпением жду, чего смогу достичь сама, и того, что другие смогут сделать с этой системой», — заключила профессор Келли Моррисон.