Современные мембраны для ультратонкой фильтрации обычно изготавливают из пористых полимеров. Они по крайней мере в тысячу раз толще тех молекул, которые должны быть отделены. Такие мембраны дороги, хрупки и имеют длинные извилистые поры, которые быстро засоряются. Сквозь эти поры нужные молекулы просачиваются крайне медленно и то под высоким давлением.
Новая кремниевая мембрана была получена случайно. Сотрудник университета Кристофер Стример (Christopher Striemer) занимался совершенно другим делом — старался лучше понять, как кристаллизуется аморфный кремний при нагреве. Ученый изготовил пленки толщиной в пятьдесят атомов, для того чтобы потом разглядеть в электронный микроскоп нанокристаллы, образующиеся при различных вариантах нагрева. Кристофер обнаружил, что иногда кремний кристаллизуется так, что между выросшими кристалликами возникают поры размером 5-25 нм. Этот процесс похож на образование групп беседующих людей, поначалу равномерно распределенных по помещению.
После этого открытия разработать метод изготовления наномембран оказалось уже делом техники. Метод включает несколько стадий, которые вполне вписываются в современную технологию изготовления чипов. Ученые уже научились делать мембраны толщиной до 5 нм и размером до 2х2 мм. Они оказались на удивление прочными. Мембрана толщиной 15 нм и размером 0,2х0,2 мм, которую выбрали для экспериментов, легко выдерживает перепад давлений в одну атмосферу.
Новые мембраны сравнительно дешевы и, как надеются экспериментаторы, быстро найдут массу применений. Их можно использовать не только в научных лабораториях и химическом производстве. С помощью наномембран можно разделять белки и другие биологические субстанции и даже фильтровать воздух в «чистых комнатах» для производства чипов. А уж в грядущих нанотехнологиях такие мембраны для фильтрации всевозможных нанорастворов будут просто незаменимы. ГА
Французские ученые осуществили «в железе» эксперимент, который известный американский физик Джон Уилер (John Wheeler) почти три десятилетия назад придумал в качестве мысленного опыта. Эта работа вновь подтвердила, что никакие ухищрения не помогут обойти законы квантовой механики.
Уилер предложил изменить схему проведения знаменитого интерференционного эксперимента, который впервые поставил английский физик Томас Юнг еще в начале XIX века. В его стандартном варианте свет от точечного источника падает на непрозрачную стену с двумя щелями и рисует на расположенном за нею экране интерференционную картину. Причем интерференция возникает лишь в том случае, если открыты обе щели. В классической физике интерференция рассматривается как свидетельство волновой природы света. Согласно же квантовой механике, свет переносят частицы с волновыми свойствами, поэтому с ее точки зрения природа этого эффекта гораздо глубже. Если бы фотоны были только частицами и ничем иным, освещенность экрана при обеих открытых щелях была бы просто суммой освещенностей, возникающих при открывании каждой из щелей по отдельности. Иначе говоря, в этом случае экран выглядел бы светлее. Однако в действительности на нем появляются светлые и темные участки интерференционной картины.
Но самое интересное в другом. Можно предположить, что такая интерференция возникает только в результате падения на экран множества фотонов, каждый из которых проходит или только через первую щель, или только через вторую. В этом случае фотоны при движении вели бы себя как обычные частицы и только при попадании на экран взаимодействовали друг с другом как волны. Однако эта гипотеза безоговорочно опровергнута экспериментом. Физики давно научились изготовлять источники единичных фотонов, следующих друг за другом через бо, льшие промежутки времени, нежели те, что требуются свету для прохождения дистанции между излучателем и экраном. Тем не менее результат от этого не меняется: при одной открытой щели интерференции нет, при двух — есть. Это и означает, что каждый фотон — не только частица, но и волна, проходящая через обе открытые щели.
С помощью двухщелевого эксперимента квантовую природу фотонов можно продемонстрировать даже эффектнее. Пусть обе щели открыты, и пусть мы каким-то образом можем следить за движением фотонов — например, с помощью промежуточных детекторов, расположенных вблизи каждой щели. Оказывается, что при включении детекторов интерференция исчезает! Таким образом, любая попытка проследить путь фотона уничтожает квантовую волновую неопределенность и делает фотон аналогом обычной классической частицы, движущейся по хорошо определенной траектории. А вот когда фотон «гуляет сам по себе», не контактируя по пути с измерительной аппаратурой, он сохраняет свой корпускулярно-волновой дуализм. Такое поведение полностью согласуется с принципами квантовой механики.
Казалось бы, вопрос закрыт. Тем не менее в 1978 году Уилер подметил еще одну возможность, которая никому не приходила в голову. Допустим, что фотон каким-то образом заранее «узнает», намерен ли экспериментатор задействовать промежуточные детекторы, и в соответствие с этим меняет свое поведение? Конечно, эта гипотеза выглядит весьма причудливо, но ведь квантовая механика вообще полна парадоксов. Во всяком случае, Уилер считал, что проверить гипотезу стоит.
Это и сделали французские ученые. Правда, в классическом двухщелевом эксперименте такая проверка была бы слишком сложной технически, поэтому Жан-Франсуа Рош (Jean-Francois Roch) и его коллеги построили другую приборную схему. Стенку с двумя щелями заменил двухплечевой интерферометр. Единичные фотоны от источника попадали на полупрозрачное зеркало BS1, которое с равной вероятностью направляло их по двум 48-метровым путям, приводящим к двум детекторам. Оба пути совершенно разные, так что регистрация фотона детектором, стоящим на пути 1, означает, что этот фотон не мог пройти по пути 2. Таким образом, пути фотонов точно прослеживаются, и детекторы, в соответствии с принципами квантовой механики, не должны регистрировать никакой интерференции.
Однако экспериментаторам надо было ответить на вопрос Уилера, поэтому они расположили на пересечении обоих путей еще один делитель света BS2, который, подобно первому, с равной вероятностью пропускал и отражал фотоны. Если бы этот делитель действовал постоянно, не стоило бы и огород городить. Его присутствие уже не позволяет сказать, по какому пути фотон попадает в тот или иной детектор, поэтому эти приборы обязаны показать интерференцию (правда, для ее наблюдения требуются определенные ухищрения, но это не принципиально). Во всяком случае, вопрос Уилера в этом случае остался бы без ответа.
Но ученые действовали хитрее. Второй делитель — и в этом-то все дело! — был соединен с управляющим устройством, которое могло его включать и выключать. При этом электронный контроллер был синхронизирован с источником света и начинал работать лишь после того, как очередной квант встречался с делителем BS1. Получив информацию, что фотон уже внутри интерферометра, контроллер иногда активировал второй делитель. Однако эти команды подавались без ведома кого бы то ни было, ими управлял генератор случайных чисел. Так что «осведомиться» о намерениях экспериментаторов фотон никак не мог.
Физики из группы Роша провели великое множество тестов и набрали обширную статистику. Оказалось, что квантовая механика и тут не подвела. Когда второй делитель отсутствовал, интерференции, как и положено, не наблюдалось, фотоны вели себя как классические частицы. А вот когда экспериментаторы устанавливали BS2 с его управляющей системой, возникала интерференционная картина, и фотоны самым честным образом демонстрировали свой корпускулярно-волновой дуализм. Именно этого и требуют от них принципы квантовой механики. А поскольку делитель BS2 включался и выключался случайно, фотонам уж точно было неоткуда узнать, что задумали экспериментаторы. Более того, даже если бы такая информация откуда-то и поступала, ей бы пришлось распространяться быстрее света, чтобы достичь фотона без запоздания — а этого теория относительности не допускает. Так что поставленная Уилером проблема теперь разрешена, только он сам, к сожалению, до этого счастливого дня не дожил. АЛ