Самоцветные лазеры. О лазерах весь мир узнал в 1964 году, когда Н. Г. Басову, А. М. Прохорову и Ч. Таунсу присудили Нобелевскую премию. Лазер стал модной темой популярных лекций и книг, в том числе фантастических. Прототипом лазера был объявлен гиперболоид инженера Гарина, хотя принципы действия обоих аппаратов совершенно различны. В телефильме «Крах инженера Гарина» гиперболоид даже внешне напоминает лазерную установку.

Лазер немыслим без рабочего тела — активной среды, которая накапливает и излучает энергию. В первых лазерах роль активной среды играли монокристаллы рубина, которые испускали свет в узком диапазоне длин волн. Это не удовлетворяло ученых, и они искали новые лазерные материалы.

Вскоре выяснилось, что силикатное стекло с примесью неодима тоже может служить активной средой. Так как неодим входит в группу лантанидов, возник вопрос: не окажут ли благотворного влияния и другие элементы этой обширной группы? Ответ был положительным. Отсюда недалеко до монокристаллов ИАГ, которые в любых соотношениях смешиваются с лантанидными гранатами. Так появились активные среды, состоящие из ИАГ с примесью самария, диспрозия, тулия и других лантанидов. В дальнейшем количество лазерных материалов росло со скоростью снежного кома: ИАГ с добавками хрома, никеля, кобальта, ванадия. Диапазон длин волн сказочно расширился. Сейчас возможна генерация лазерных лучей, окрашенных во все цвета солнечного спектра.

Лазеры прочно вошли в жизнь. С помощью «светового скальпеля» проводят хирургические операции (в том числе на глазе), лечат некоторые виды рака.

Вот что пишет в газете «Правда» руководитель Всесоюзного центра по применению лазеров в хирургии, лауреат Государственной премии СССР, доктор медицинских наук О. Скобелкин: «Популярны в хирургии и смежных областях лазеры на ИАГ с неодимом. Его луч способен значительно глубже проникать в ткань и даже через тканевую жидкость в кровь. Его тоже можно передавать по гибким волоконным световодам и применять в эндоскопии. Это, а также способность останавливать кровотечение из крупных сосудов сделали его применение перспективным в общей сердечно-сосудистой и грудной хирургии… Большой интерес вызывают попытки применить такой лазер в хирургии сердца — при неподдающихся консервативному лечению тяжелых аритмиях и для испарения бляшек в сосудах».

В человеческом организме есть троица недотрог: печень, поджелудочная железа, селезенка. Малейший надрез хирургическим ножом приводит к обильным кровотечениям. Больше того — при этом включается механизм самопереваривания. Человеческий орган пожирает самого себя. Выход один: или не трогать эти органы, или оперировать лазерами. Углекислый лазер отделяет ненужную ткань, а гранатовый заваривает плоскость среза. При этом рана затягивается тонкой пленочкой, которая не пропускает ни капли жидкости. Гранатовый лазер еще и дезинфицирует рану.

Лазерный луч стимулирует рост растений. В одном из совхозов на Львовщине семена огурцов перед посевом облучили лазерной установкой «Львов-1 электроника». Урожайность сразу возросла на 23 процента. Экономический эффект составил 42 тысячи рублей.

Об использовании лазеров на эстраде знают все. А вот японская фирма «Сони» уже несколько лет бойко торгует лазерными проигрывателями. Внешне они мало чем отличаются от обыкновенных, зато на пластинках диаметром всего-навсего 30 сантиметров умещается несколько тысяч песен. Подобная аппаратура появилась и в Европе. В 1987 году это был лучший рождественский подарок.

Лазерным лучом режут и сваривают металлы, прожигают отверстия в любых материалах. Лазеры способствуют развитию голографии и получению термоядерной плазмы. С помощью лазера уточнили скорость света и промерили расстояние между Землей и Луной.

Лазерный аппарат в лондонской Королевской ассоциации выкинул «фокус», который привел в смятение ученых, пишет английский журнал «Нью сайентист». По утверждению лаборантов, аппарат был частично демонтирован, когда его снова включили. Он работал нормально, но в момент выключения лазерный луч стал… черным. Будто карандашный грифель протянулся из оптической системы. «Утка» ли это, или новое необыкновенное свойство лазера — пока неизвестно. Ждем следующих сообщений английского журнала.

На 6-й международной конференции по росту кристаллов (Москва, 1980 г.) X. С. Багдасаров показал фильм об использовании лазерного нагрева для получения кристаллов, образующихся при очень высоких температурах. Впервые ученые зафиксировали на кинопленке появление расплава, процессы затравливания и роста монокристалла ИАГ и сапфира. Рабочим телом в лазере служил кристалл граната с примесью оксида неодима.

Свет течет по кабелю. Академик П. Л. Капица считал, что наука развивается по экспоненте. В отношении научных публикаций это означает, что через каждые десять лет количество статей удваивается. Такое явление — опасная штука. Наверное, все помнят притчу об изобретателе шахмат. В качестве авторского вознаграждения он попросил на первую клетку шахматной доски положить одно пшеничное зернышко, на вторую — два, на третью — четыре и так далее, постоянно удваивая. В результате экспоненциального взрыва общий вес пшеницы превысил бы сто миллиардов тонн! Точно так же лавинообразно нарастает количество научных статей, журналов, сборников, монографий. Угроза того, что все мы будем погребены под бумажной лавиной, совершенно реальна.

Так ли уж нужна информация? Не лучше ли всю лишнюю бумагу сдать в макулатуру и приобрести на талон «Трех мушкетеров»? Оказывается, информация жизненно необходима человеку. Можно утверждать, что по степени важности она стоит на четвертом месте — после воздуха, воды и пищи. Человек, лишенный способности воспринимать, усваивать, передавать информацию, — уже не человек. Иван Неронов, соратник протопопа Аввакума, писал: «От непочитания книжного ума иступихся». Один из героев повести братьев Стругацких «Сезон дождей» умер, лишенный возможности читать.

Системы информационной связи прошли длительный путь развития. Крик, пересвистывание, барабанный бой и сигнальные огни сменились семафорами, гелиографами, маяками. Затем изобрели электрический телеграф и радио. Всего лишь 80 лет назад Земля была зоной сплошного радиомолчания. Ныне микроскопический поворот ручки радиоприемника выявляет новую станцию. Музыка, пение, разноязыкая речь перекрывают друг друга. Тесно в эфире! Начиная с середины 60-х годов система передачи информации исчерпала свои возможности. Информационная емкость радио оказалась переполненной.

Выход из тупика есть. Для увеличения пропускной способности радиоэлектронных систем требуется повышение их рабочей частоты. Например, система передачи телефонных разговоров работает в полосе частот 100 килогерц. Для удовлетворительной передачи одного телефонного разговора требуется полоса частот до 3,4 килогерца. То есть только при наличии такого диапазона звук X не будет звучать как Ф. Таким образом один кабель может обеспечить тридцать каналов связи, тридцать не мешающих друг другу одновременных телефонных разговоров — каждый в своей полосе частот. Совершенно ясно, что увеличить информационную емкость системы можно, повысив рабочую частоту до мегагерца и более. Так появились системы связи в сверхвысокочастотном диапазоне, интенсивное развитие получили радиорелейные линии. Затем были разработаны системы связи с применением лазеров.

Однако рост потока информации обгоняет развитие средств связи. На современном воздушном лайнере, например, установлена ЭВМ весом около 30 килограммов. В то же время кабели, которые ведут к различным датчикам, весят почти 5 тонн. Львиная доля этого веса приходится на системы экранировки кабелей. В простейшем случае экраны представляют собой «чулок» из металлической проволоки, надетый на центральную жилу. Защита (канализация) требует большого количества остродефицитных цветных металлов. Может получиться так, что вся добываемая медь пойдет на изготовление «чулков» для кабелей.

Итак, из одного тупика мы попали в другой. В подобном случае математики рекомендуют искать выход в новом измерении. Иными словами, надо забыть о металлических каналах связи и придумать что-то принципиально иное.

Представьте стеклянный стержень. С одного конца в него входит пучок световых лучей. Их дальнейшая судьба зависит от угла падения. Если луч попадет в стержень под углом, большим угла полного внутреннего отражения, то он преломится на границе стекло — воздух и безвозвратно покинет стержень. Другой луч попадает в стержень под углом, меньшим угла полного внутреннего отражения. Став пленником стекла, он будет и дальше отражаться от внутренних стенок, пока не покинет стержень с другого конца.

Мы уже говорим о передаче информации по световодам. Преимущества такой связи неоспоримы. Во-первых, скорость передачи информации стала равна скорости света. Во-вторых, полезная полоса частот подскочила до 1014 герц (то есть один световод может обеспечить свыше ста миллиардов каналов связи). В-третьих, вес стекла значительно меньше веса такого же объема металла. Однако имеются и недостатки. Металлическую проволоку можно намотать на барабан, а попробуйте хоть чуть-чуть изогнуть стеклянную палочку! Кроме того, количество световых лучей, покидающих стержень, настолько велико, что до его конца (при достаточной протяженности) почти ничего не доходит. К этому следует добавить и рассеяние света из-за наличия в стекле примесей железа, меди, воды и т. п.

Кажется, что перечисленные технические трудности непреодолимы. Это не так. Стеклянный стержень, утонченный до диаметра 100 микрометров, превращается в нить, которую можно гнуть как угодно и даже завязывать узлами. А для удержания всех лучей внутри этой нити придумали вот что. Луч света покидает световод из-за большой разницы между показателями преломления стекла и воздуха. Если центральную жилу окружить материалом с более высоким показателем преломления, то луч света так и не сможет вырваться наружу.

Остается рассказать, каким образом можно получить сверхтонкое и двухслойное кварцевое стекло без примесей железа, меди и воды.

Понятно, что для выплавки сверхчистого стекла требуется и сверхчистая шихта. В природе наименьшее количество примесей содержится в бразильском кварце. Однако в волокне, полученном из него, затухание волн все-таки слишком велико. Поэтому прибегли к синтетическим методам. В одном из них парогазовую смесь тетрахлорида кремния и водорода подают в факел водородно-кислородного пламени (почти аппарат Вернейля). В результате образуются линейные молекулы кремнезема, которые соединяются друг с дружкой в длинные цепочки. Этот промежуточный материал плавят и после охлаждения получают блоки чистейшего кварцевого стекла. Какова его чистота? Достаточно сказать, что на миллиард атомов кремния приходится всего один атом железа или другой примеси! Вот уж поистине драгоценный камень!

В современных световодах центральная жила толщиной 10 микрометров покрыта оболочкой из чистого кварцевого стекла толщиной до 150 микрометров. Для создания разницы в показателях преломления центральную жилу изготавливают из кварцевого стекла с примесью оксида титана, который значительно улучшает свойства световода. Например, коэффициент термического расширения становится нулевым. Иными словами, при любой температуре длина нити постоянна. Это очень важно в тех случаях, когда длина световода превышает десятки километров.

У древних греков был миф о лидийской девушке Арахне, превращенной богиней Афиной в паука. Арахна могла свить самую тонкую нить и сплести из нее кружево немыслимой красоты. Но вряд ли и она смогла бы изготовить двухслойную паутину.

Процесс на современном заводе начинается с того, что из слитков кварцевого стекла делают стержни (штабики). Их помещают в специальную установку, в которой один конец штабика нагревается до плавления. Вытягиваемая нить проходит через узкое отверстие и наматывается на барабан. Для вытягивания двухслойного световода применяют сдвоенные тигли. В середине дна меньшего тигля имеется отросток, оканчивающийся фильерой. Этот отросток располагается точно над фильерой большого тигля. Дальнейшее понятно: большой тигель заполняется чистым кварцевым стеклом, меньший — стеклом с добавкой оксида титана. Вытекая одновременно, оба стекла застывают, образуя двухслойную нить. Ее покрывают защитной оболочкой, и световод готов.

На таких световодах уже работают телефонные линии передачи на расстояния до 3000 километров. Их ждут промышленные предприятия, где станками и автоматизированными комплексами управляют ЭВМ. В 1990 году должна войти в строй световодная линия связи между Европой и Америкой, проложенная по дну Атлантического океана. Она расширит контакты между континентами.

По кварцу бежит звук. Как вы думаете, почему у нас цветные телевизоры появились позже черно-белых? Правильно, по техническим причинам. Однако что это за причины?

Старые москвичи помнят коммунальные квартиры 50-х годов и телевизионный приемник КВН-49. Возле крошечного экрана собирались не только хозяева квартиры, но и соседи по этажу. Первых дикторов — прелестных Нину Кондратову и Валю Леонтьеву — приветствовали как близких людей. Каждая телевизионная передача живо обсуждалась. Любителей и почитателей набивалось в комнату столько, что для цветного варианта телевизионного приемника места не оставалось. По тем временам к нему полагался кабель длиной 13 километров. Вы спросите, откуда взялась такая цифра?

В цветном телевизоре за передачу на экран всех цветов радуги ответственны несколько узлов. Один из них — линия задержки, и нужна она вот для чего. Изображение на экране формируется из 625 строк, каждая из которых разворачивается в течение 64 микросекунд (напомним, что одна секунда состоит из миллиона микросекунд). В приемнике для формирования цветоразностных сигналов необходимо одновременное присутствие двух цветовых сигналов. Для их совпадения во времени и используется ультразвуковая линия задержки (УЛЗ): задержка производится как раз на необходимые 64 микросекунды.

Попробуем сделать линию задержки из медной проволоки. Телевизионный сигнал будет распространяться по ней со скоростью примерно двести тысяч метров в секунду или 0,2 километра в микросекунду. Для того чтобы задержать его на нужное количество микросекунд, требуется кабель длиной почти 13 километров. Естественно, в коммунальной квартире места для него не найдется.

Конечно, это шутка. Однако поиск материалов, способных служить линиями задержки, был делом серьезным. Решение нашлось только после того, как научились трансформировать электромагнитную волну в звуковую. Как известно, акустические волны распространяются в твердых телах со скоростью примерно 0,2 сантиметра в микросекунду. Для задержки сигнала на 64 микросекунды требуется стержень длиной всего-навсего 13 сантиметров. Он свободно размещается в коробке телевизионного приемника.

Однако что же преобразует электромагнитный сигнал в акустический? Разумеется, кварц!

В 1880 году французские ученые и братья Поль Жан Кюри и Пьер Кюри экспериментировали с кристаллами горного хрусталя. Они подсоединили его к гальванометру и подвергли разнообразным сжатиям и растяжениям. В общем-то опыты могут показаться довольно безумными. Ведь не может в диэлектрике, каковым является кварц, возникнуть электрический ток! Тем не менее стрелка гальванометра двинулась. Причем если кристалл сжимали, то на его гранях, перпендикулярных направлению сжатия, возникали разноименные электрические заряды: на одной грани положительные, на другой — отрицательные. При этом стрелка гальванометра двигалась вправо. Если же кристалл растягивали, то стрелка гальванометра двигалась влево, так как грани перезаряжались.

Открытое явление было названо пьезоэлектричеством (пьезо по-гречески — давлю). Позднее братья Кюри обнаружили, что пьезоэлектрический эффект обратим. Когда на гранях кристалла создавали разноименные электрические заряды, то он либо сжимался, либо растягивался, в зависимости от положения зарядов.

Вернемся к цветному телевизору и акустическим линиям задержки. Принцип их работы заключается вот в чем. Электромагнитный сигнал с помощью пластинки из пьезокварца преобразуется в звуковой и задерживается в звукопроводе на необходимое время. Следующая пластинка вновь возвращает сигнал в электромагнитный диапазон. Размеры звукопровода не должны зависеть от колебаний температуры. Материал с нулевым коэффициентом термического расширения нам уже известен — это кварцевое стекло с примесью оксида титана. Таким образом, в современных цветных телевизорах работают две модификации кремнезема — кварц и кварцевое стекло.

Попутно расскажем о пироэлектричестве. По преданию, его открыл древнегреческий философ Фалес (624–547 гг. до н. э.). Философ много путешествовал по странам Востока, предсказал солнечное затмение в 585 году до н. э. Считают, что именно он обнаружил способность янтаря после натирания притягивать птичий пух и соломинки (электризация трением). Достоверный рассказ об этом впервые описан в книге «Тимей» другого древнегреческого философа — Платона (427–347 гг. до н. э.). Бируни в своей «Минералогии» цитирует стихи, в которых говорится о том же:

В 1757 году явление пироэлектричества в кристаллах драгоценного турмалина описал русский физик Эпинус. Он же впервые объяснил явление поляризации. Через 127 лет ученый мир был поражен опытом Кундта. Немецкий ученый опылил нагретый кристалл турмалина порошкообразной смесью серы и сурика, пропущенной через шелковое сито. При трении о шелк частички серы заряжались отрицательно, частицы сурика — положительно. Поэтому один конец турмалина окрасился в желтый цвет серы, а другой — в красный цвет сурика. Не правда ли, весьма наглядный опыт? Тем более что при охлаждении кристалла полюса поменялись местами, изменив окраску.

По современным данным, в кристалле самоцветного турмалина при изменении температуры на один кельвин возникает электрическое поле напряженностью 400 вольт на сантиметр. Как и все пироэлектрики, турмалин является также и пьезоэлектриком. Это правило не имеет обратной силы, то есть не все пьезоэлектрики обнаруживают пироэлектрические свойства.

Расскажем о возможном применении пьезокварца в будущем. Считается, что гравитационные волны (если они существуют) распространяются быстрее света. Заманчиво было бы использовать их для дальней космической связи. Но где же взять детектор для улавливания волн? Английский ученый Бонди указывал, что если перед фронтом волны расположены какие-то материальные точки, то они будут непременно расходиться под действием энергии волны. Далее прочитаем выдержку из научно-фантастической повести С. Ахметова «Сигналы жизни»:

«Любопытно, черт побери, — думал Камилл. — Если в качестве материальных точек использовать атомы кварца, то на фронте волны они будут стремиться к расхождению. При этом вследствие пьезоэффекта возникает электрический ток. А уж его можно зафиксировать гальванометрами… С помощью достаточно массивного кристалла можно даже уловить гравитационное излучение. Ну конечно, это же эксперимент Вебера! Американский ученый использовал полуторатонный цилиндр с вмонтированными по длине кварцевыми пьезодатчиками… Помнится, Вебер отметил несколько всплесков гравитационного излучения. Однако многие физики нашли в эксперименте изъяны. Так до сих пор и неясно — есть гравитационное излучение или его нет. На этот вопрос может ответить монокристалл кварца весом в тонну. Но как его вырастить?..»

Акустические линии задержки пригодились во многих отраслях современной техники. Радиолокация, навигационная техника, кодирующие и запоминающие устройства в ЭВМ, космическая техника не могут обойтись без них. Во многих случаях кварцевое стекло в качестве звукопровода не годится.

Есть такой анекдот. «Однажды ходжа Насреддин поднялся на минарет и закричал изо всех сил. Потом, быстро спустившись с минарета, побежал в поле. Все, кто видел его, спрашивали:

— Ходжа, что случилось, куда ты бежишь?

— Бегу, — ответил ходжа, — чтобы узнать, до какого места доходит мой голос».

Остроумец ходжа Насреддин мог убедиться, что звук его голоса затухает в воздухе, пройдя две сотни метров. В кварцевом стекле ультразвук затухает на протяжении сантиметров. Требовался материал более упругий, чем стекло. Им оказался все тот же кварц. На его основе изготовлены линии задержки, по которым бегут акустические волны с частотой в сотни мегагерц.

Настоящую революцию в техническом применении кварца совершила работа советского ученого К. Н. Баранского. Во время войны он был радиоразведчиком. А в мирное время, работая доцентом МГУ, занимался изучением звуковых колебаний. В 1957 году Баранский доказал, что в линиях задержки пьезокварцевые преобразователи не нужны. Акустические волны можно возбудить непосредственно на поверхности монокристаллов кварца. В результате частота генерируемых волн подскочила сразу до десяти гигагерц. Через некоторое время американские ученые увеличили эту цифру в десять раз.

В 1885 году Джон Рэлей предсказал существование упругих возмущений, распространяющихся в твердом теле вдоль его свободной границы и затухающих с глубиной. Простейшим случаем волн Рэлея, или поверхностных акустических волн, являются волны на земной поверхности, возникающие во время землетрясений. В последние годы широкое распространение получили устройства, работающие на таких волнах.

Кварцевые линии задержки могут служить ячейками краткосрочной, или динамической, памяти ЭВМ. Машина, получив промежуточный результат, преобразует его в акустический сигнал и отправляет в линию задержки. Сигнал хранится от одной до нескольких сотен микросекунд. За это время ЭВМ успевает сделать тысячи операций и в нужное время получает из блока динамической памяти информацию, необходимую для дальнейших вычислений. В последнее время для линии задержки нашли самоцветы, работающие лучше кварца. Так, в плавленом кварце затухание ультразвуковых волн составляет 70 децибел в микросекунду. Для кристаллов шпинели эта цифра понижается до 32, для рубина — 20, для гранатов с добавками некоторых лантанидов — 15 и даже 10!

Гранатовые линии задержки станут глазами и ушами космических кораблей. Помните фантастическую повесть Эдмона Гамильтона «Сокровище Громовой Луны»? Самое невероятное в ней — не голубоватый минерал левиум, «элемент с обращенной полярностью притяжения», не атомные пистолеты и не чудовищное порождение Оберона — полуразумные Огневики. Самым фантастическим в повести является подвиг пилота Стини.

«Там на юге, над пламенным огненным морем поднималось в дыму какое-то темное тело. Это был огромный продолговатый „Метеор“, грохотавший огненными вспышками килевых дюз. Он ринулся к вулканическому пику над лавовым морем. При малой высоте и огромной скорости он неизбежно должен был разбиться.

— Стини, назад! — напрасно кричал в передатчик Норт.

Слишком поздно! Огромная масса „Метеора“ рванулась вниз к узкой площадке. Грохот ревущих дюз заглушил раскаты грома. Корабль падал, падал, чтобы разбиться и утонуть в огненной лаве…

Килевые дюзы изрыгали вниз бешеное пламя, разбивая море лавы в чудовищный фейерверк огненных брызг. Уравновесившись на этих огненных столбах, качаясь во все стороны в бурных вихрях, мечущихся вокруг него, корабль замер, паря в воздухе.

Казалось безумием думать, что какой-нибудь пилот сможет произвести здесь, в этих воющих дымных вихрях, подвесную посадку — самый сверхчеловеческий из всех пилотских подвигов. Но Стини сделал это! Играя на килевых и боковых дюзах, как на огненном органе, он несколько секунд держал корабль в равновесии».

Описанное не может осуществиться ни через сто, ни через двести лет. Человек, будь он самым выдающимся пилотом космических кораблей, слишком медлителен, чтобы воспринимать информацию о быстроменяющейся обстановке, перерабатывать ее и реагировать посредством «игры на килевых и боковых дюзах». Э. Гамильтон был бы значительно ближе к истине (но значительно менее эффектен!), если бы передал управление бортовому компьютеру, связанному с системой локации на гранатовых линиях задержки.

Такой компьютер рассылает во все стороны электромагнитные волны, которые отражаются от препятствий, возвращаются и улавливаются приемными устройствами. Одновременно ультразвуковые сигналы вводятся в пучок гранатовых стержней различной длины. Время пробега луча до препятствия и обратно должно совпасть с временем прохождения сигнала по одному из стержней, длина которого известна. Таким образом, расстояние до препятствия измеряется с точностью до одного метра в течение каких-то микросекунд (пилот за это время и моргнуть не успевает!). Располагая достоверной информацией об окружающей обстановке, бортовой компьютер маневрирует работающими двигателями, выбирая оптимальные режимы. Подвесная посадка проходит штатно, как говорят космонавты.

Собрание сочинений на ладони. Личные библиотеки разрастаются. Книжные полки закрывают стены комнат, коридоров. Книги стоят рядами на столах, толпятся на подоконниках, грудятся в темных углах. Книги хранят не только информацию, но и тончайшую пыль — астматикам чтение вредно для здоровья. Вот бы сделать так, чтобы книги занимали как можно меньше места!

В последнее время появился новый термин — цилиндрический магнитный домен. Домен в данном случае обозначает не земельное владение феодала, а участок кристалла со специфическими свойствами. Какие же это свойства?

Возьмем тонкую пластинку, вырезанную из бездефектного кристалла гадолиниево-галлиевого граната. Нарастим на него пленку другого граната, содержащего оксиды европия и эрбия. Толщина пленки не должна превышать пять-десять микрометров. Теперь намагнитим пленку таким образом, чтобы ось легкого намагничивания была перпендикулярна к ее поверхности. Далее создадим в пленке изолированную область в форме кругового цилиндра, намагниченность которого направлена в обратную сторону. Вот эта цилиндрическая область и есть магнитный домен — носитель информации в запоминающих системах ЭВМ. Диаметр его примерно равен толщине пленки.

Цилиндрические магнитные домены хороши тем, что их можно генерировать, перемещать по кристаллу в заданных направлениях, регистрировать их наличие или отсутствие и, наконец, уничтожать. Все эти качества отвечают основным требованиям, предъявляемым к обработке информации: запись, передача, хранение, считывание и стирание. Как же могут магнитные домены нести информацию? А очень просто: наличие домена означает единицу, отсутствие — нуль. Получается двоичная система, понятная любой электронной машине. Таким образом, один домен — это единица, или бит, информации. На одном квадратном сантиметре пленки может уместиться один миллион битов. Много это или мало?

И. А. Ефремов за свою жизнь написал и опубликовал примерно 200 печатных листов художественной прозы. В каждом листе содержится сорок тысяч знаков — букв, цифр, знаков препинания, пробелов. Следовательно, шеститомник Ефремова содержит около восьми миллионов знаков. Для записи одного знака достаточно семи битов информации, а всей прозы Ефремова — 56 миллионов битов. Велика ли гранатовая пластинка, на которой уместится такое астрономическое число знаков? Это почти квадрат размерами семь на восемь сантиметров! Такая пластинка легко укладывается на ладони, а содержит она полное собрание сочинений писателя.

Добавьте сюда скорость считывания информации — десять тысяч битов в микросекунду. Вот что такое цилиндрические магнитные домены! Запоминающие устройства на таких доменах обладают высокой надежностью и низкой стоимостью хранения единицы информации. Применение цилиндрических магнитных доменов — один из основных путей развития электронно-вычислительной техники.

Кремнезем и жизнь. «Ворота были распахнуты, и из них медленно, один за другим, выходили каменные люди…

Кто-то выстрелил по наступающим.

— Стрелять бессмысленно, — крикнул я. — Они неуязвимы!

Кремниевые люди были в светлых холщовых шароварах, с оголенной грудью. Сейчас у каждого в руке был кривой арабский нож. Они двигались на нас очень медленно, почти торжественно. Шагах в пятидесяти от оранжереи по какой-то бессвязной команде одного из них они стали разворачиваться полукругом, пытаясь захватить наш отряд в кольцо».

Вы прочитали отрывок из научно-фантастической повести Анатолия Днепрова «Глиняный бог». В ней идет речь о преступнике, который в человеческом организме заменил все атомы углерода на кремний.

На возможность кремнийорганической жизни указывал знаменитый русский ученый и революционер Н. А. Морозов. В научно-фантастическом рассказе «Эра жизни», написанном в 1919 году, он описал далекое прошлое нашей Земли. Суша, состоящая из глины и карбидов алюминия, омывается океаном расплавленного кварца. В небе собираются кварцевые облака. На раскаленной планете живут человекоподобные существа, в жилах которых вместо крови течет расплавленный кварц. По-видимому, это прототипы беспощадных Огневиков Э. Гамильтона.

В принципе писатели-фантасты не очень-то погрешили против истины. По современным представлениям, кремниевая жизнь возможна на какой-нибудь очень горячей планете. Но и в земной жизни кремнезем играет довольно существенную роль. Например, он стимулирует рост и созревание зерновых культур, картофеля, моркови, огурцов, помидоров, сахарного тростника. Еще в Древнем Египте в качестве удобрения использовали нильский ил, который содержит до шестидесяти процентов оксида кремния. Хорошими силикатными удобрениями являются грязи, на восемьдесят процентов состоящие из кремнеземов. Всем известно, что арбузы лучше растут на песчаных почвах. Крапива своими жгучими свойствами обязана кремнию. Ее листья покрыты капиллярами из кварцевого стекла, наполненными ядовитой жидкостью. Прикосновение к листу вызывает поломку стеклянного сосуда со всеми вытекающими последствиями.

Бамбук, произрастающий в Китае и Южной Америке, накапливает в стволах поликремниевую кислоту. По мере роста тростника кислота загустевает и превращается в твердое вещество, которое называют табаширом. По составу и качеству оно полностью соответствует обыкновенному опалу. Прокаленный табашир теряет 11 процентов воды и становится совершенно белым. На восточных базарах его продают в качестве лекарственного средства. Как и всякий силикагель, он весьма гигроскопичен.

По данным авторов книги «Кремний в живой природе» М. Г. Воронкова и И. Г. Кузнецова, в организме насекомых содержится 0,6 процентов кремния. В съедобных мидиях содержание кремнезема достигает нескольких процентов (в сухом веществе). В перьях гуся тоже есть кремнезем. Недаром, видно, наши предки выбрали их в качестве пишущего материала. При полном исключении кремния из рациона цыплят у них плохо развиваются оперение и скелет, лапки становятся тонкими. В шерсти животных и в волосах человека обязательно присутствует кремний.

Содержание кремния в крови будущей матери увеличивается почти в три раза, причем часть его задерживается в эмбрионе. На третьи сутки после родов концентрация этого элемента в крови еще более увеличивается. Это связано с необходимостью поднять содержание кремния в молоке до 0,003 процента. В коровьем молоке кремния еще больше.

Однако кремнезем может быть и опасен. Длительное вдыхание кварцевой пыли приводит к развитию силикоза, а затем и туберкулеза. Медики считают, что силикоз начинается с того, что защитные клетки соединительной ткани активно захватывают кремнезем. Однако разрушить его у них не хватает силенок, и они гибнут. Человек оказывается беззащитным перед токсическим воздействием оксида кремния и без лечения может погибнуть. Растительный кремний является причиной воспаления слизистых оболочек пищеварительного тракта и износа зубов травоядных. Доказано, что водорастворимые силикаты, попадающие в реки, вызывают гранулемы на деснах и даже могут снизить рождаемость.

Кремнезем вызывает болезни, но он же и лечит. Упомянутый уже табашир используется индийскими и арабскими врачами для борьбы с туберкулезом, астмой, камнями в почках. Кремнезем давно вошел в практику гомеопатов. Его назначают при различных гнойных процессах, невритах, ушных заболеваниях, болезнях дыхательных путей и даже при рахите. Всемирно известны кавказские минеральные воды «Боржоми», «Джермук», «Арзни». Вспомните Мандельштама:

В минеральных водах Армении много растворенного кремнезема. Их назначают при функциональных нарушениях желудка, хронических колитах, диабете и нарушении обмена веществ.

Европейские крестьяне издавна лечили туберкулез различными травами, содержащими большие количества кремнезема. Затем эти народные средства вошли в клиническую практику. Например, растворимая кремниевая фракция хвоща полевого увеличивает эластичность тканей, является катализатором ряда важнейших жизненных процессов. Каждый год появляются новые лекарственные препараты, содержащие кремний.

Кремний, как можно более чистый кремний, нужен во всевозрастающих количествах. Его практически неисчерпаемый источник ученые обнаружили в самом неожиданном месте. Оказалось, что рисовая пленка содержит не только углерод, но также кремниевую кислоту и оксид кремния. При нагревании в определенных условиях можно выделить элементарный кремний. Полученный таким образом металл не содержит примесей алюминия и железа (а именно они мешают при изготовлении микросхем). Сейчас рисовая пленочная шелуха — чистый отход, тонна которого стоит всего-навсего 20 долларов. Подсчеты показали, что только из американского риса (а это лишь несколько процентов от мирового уровня) можно добыть сто тысяч тонн кремния. Таким образом, рисоводы станут поставщиками сырья для интегральных схем на кремнии.

Если уж говорить об экзотических технологиях получения драгоценных камней, то нельзя обойти вниманием японского ученого Ёити Хиросэ. Как сообщила информационная служба «Асахи», он разработал метод синтеза промышленных алмазов, значительно более экономичный, чем ныне существующие. Алмазная пленка получена при нормальном давлении (!) из этиловых и метиловых спиртов с добавлением ряда других органических соединений. Спиртовые пары смешиваются с водородом и образуют на силиконовой основе, нагретой почти до 1100 кельвинов, алмазную пленку. Для синтеза десяти микронов высококачественной пленки требуется всего один час — намного меньше, чем при традиционном методе.

Эксперименты показали, что синтез алмазов по новому методу возможен с применением других жидкостей, в том числе водки, рома и виски. Это обстоятельство позволяет сделать следующее шуточное предположение. Как известно, в 1988 году в магазинах исчез сахарный песок. Не означает ли это, что и наши ученые независимо от японцев разработали технологическую цепочку: сахар — самогон — алмазы?

Свидетель космической катастрофы. Некоторые ученые у нас в стране и за рубежом полагают, что много миллионов лет назад, в конце мелового и в начале палеогенового периодов, на поверхность Земли выпало большое количество космического вещества. Это обстоятельство доказывается удивительно высоким содержанием иридия в осадочных породах на границе мезозоя и кайнозоя. Космическое вещество могло выпасть во время прохождения Земли через облако космической пыли или в результате падения крупного космического тела. Иридиевую аномалию в породах Северной Америки и Западной Европы исследовал Б. Ф. Бохо. На многих кварцевых зернах он обнаружил следы ударного воздействия.

Изменение первоначального облика горных пород при действии на них ударной волны выражается в различных структурных преобразованиях, деформации кристаллической решетки некоторых минералов и в образовании новых химических соединений. К таковым могут быть отнесены сверхплотные разновидности оксида кремния — китит, коэсит, стишовит. Кроме того, в результате ударного воздействия в кристаллах кварца появляются так называемые планарные элементы, то есть параллельные системы оптических нарушений.

Сотрудник Института геохимии и аналитической химии имени В. И. Вернадского АН СССР Д. Д. Бадюков исследовал образцы кварца, взятые на Мангышлаке, в Копет-Даге и Малом Балхане, а также на месторождении Стивенс-Клинт в Дании. Возраст всех пород — меловой и палеогеновый. Они содержат аномально высокое количество иридия. Часть зерен кварца на пограничных отложениях содержит планарные элементы. В то же время более верхние и нижние слои совершенно не изменены. В институте были проведены эксперименты по воздействию ударных нагрузок на кристаллы кварца. Оказалось, что природные образцы действительно испытали короткие воздействия с силой 10–15 гигапаскалей.

Таким образом, проведенные исследования показывают, что во всех пограничных меловых и палеогеновых отложениях земного шара присутствуют ударно-метаморфические минералы. Их широкое распространение объясняется тем, что газово-пылевое облако, возникшее от метеоритного удара, попало в атмосферу и было затем рассеяно ветром. Находка зерен кварца с планарными элементами служит прямым минералогическим доказательством столкновения Земли с астероидом, ядром кометы или группой крупных метеоритов. Это произошло около 65 миллионов лет назад.

Возможны также и фантастические гипотезы, например, такая. Одна из ветвей меловых динозавров в результате локального похолодания эволюционировала быстрее других. Возникла цивилизация ящеров. Динозавры придумали утюги и примусы, а затем — атомную бомбу и ракеты. В результате конфронтации травоядных и плотоядных ящеров, взаимного недоверия и гонки вооружений разразилась термоядерная война. Атомные удары с силой 10–15 гигапаскалей обезобразили Землю кратерами. Гигантская волна в мировом океане за считанные часы обогнула земной шар. Горы, леса, города были сметены водяным валом. Гигантское облако пыли на долгие годы затмило солнце. Цивилизация неразумных динозавров погибла, оставив после себя лишь кристаллы кварца с планарными элементами…

Кремнезем и «Челенджер». Получилось так, что этот раздел писался в траурные для американского народа дни. 28 января 1986 года через 74 секунды после запуска на высоте 15 километров взорвался топливный бак космоплана «Челенджер». Погибли смелые люди и среди них две женщины — астронавт Джудит Резник и школьная учительница Шарон Криста Маколифф. Она планировала провести два телеурока из космоса для англоязычных школьников.

Несмотря на шоковое состояние, официальные лица США заявили, что выполнение космической программы с использованием орбитальной ступени системы «Спейс Шаттл» (космический челнок) будет продолжено. Группа поиска подобрала в океане обгорелые обломки, в том числе несколько керамических плиток, изготовленных из кремнезема.

Как известно, американские ученые, инженеры и рабочие спроектировали и построили пять космических кораблей многоразового использования. «Энтерпрайз» прошел испытания на земле и в воздухе. «Колумбия», «Челенджер» и «Дискавери» сравнительно благополучно совершили двадцать четыре космических рейса.

Выход космоплана на орбиту обеспечивают два симметрично расположенных стартовых ускорителя, работающих на твердом топливе, и жидкостно-реактивные двигатели. Большая часть стартового топлива для них помещается в гигантском топливном баке. Еще до выхода на орбиту космоплан освобождается от него и от стартовых ускорителей. Для возвращения на Землю пилот включает тормозные двигатели. Космоплан, словно метеор, врезается в плотные слои атмосферы, его носовая часть и треугольные крылья раскаляются почти до 1500 кельвинов. Этот страшный термический и механический удар принимают на себя керамические плитки.

Для защиты космоплана «Колумбия» применяются материалы на основе чистого кварцевого волокна. Плотность его составляет 144 и 352 килограмма на кубический метр (другими словами материал значительно легче воды). Керамические плитки изготавливают из штапельного стекловолокна с содержанием кремнезема 99,7 процента. Диаметр отдельных волоконцев 1,2–1,4 микрометра, длина — не более 64 миллиметров. Волокно предварительно прокаливают, очищают от неволокнистых включений (капель стекла) и примесей. Затем из него приготавливают суспензию, которая идет на отливку теплозащитных плиток. На этом этапе их плотность составляет 112 килограммов на кубический метр. После обжига при температуре 1560 кельвинов плитка готова к работе в космосе.

Первое испытание орбитальной ступени «Колумбия» прошло 12 апреля 1981 года. Экипаж состоял из опытного пилота Джона Янга и новичка Роберта Криппена, который затем совершил несколько челночных рейсов. После выхода на орбиту они с помощью бортовой телекамеры осмотрели поверхность космоплана. Было обнаружено, что на гондолах с двигателями маневрирования в хвостовой части «Колумбии» отвалилось несколько плиток. Это не помешало им успешно приземлиться на взлетно-посадочной полосе.

В дальнейшем плитки стали делать из кварцевого волокна без всяких добавок и с добавкой двадцати процентов алюмоборосиликатного волокна. Плотность плиток при этом уменьшилась до 128 и 192 килограммов на кубический метр. Основной размер — квадрат со стороной 150 миллиметров и толщиной 38–127 миллиметров. К точности размеров предъявляются высокие требования: отклонения не должны превышать 0,2 миллиметра. Это понятно. Жаропрочные плитки прилегают друг к другу и словно чешуя защищают космоплан.

По данным американской печати, применяемые на космопланах «Колумбия», «Челенджер» и «Дискавери» плитки прошли испытания на термическую устойчивость при температурах 1590, 1640 и 1700 кельвинов. Выдержка при заданном режиме составляла 15 часов. Плитки хорошо показали себя при многократных обдувах огненной плазмой. В гибели космоплана «Челенджер» их вины нет…