Физики создали «самую маленькую скрипку в мире» с помощью нанотехнологий

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.

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.

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.

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.