Камери смартфонів та сонячні панелі. Винаходи, за які слід дякувати Ейнштейну

Інженер підняв спалах фотокамери, націлив його на крихітний комп'ютер із платою на столі й натиснув кнопку. На частку секунди кімнату залило світлом. Усі примружилися - і побачили, що комп'ютер завис.

Команда Raspberry Pi щойно підтвердила, що їхній продукт, бюджетний комп'ютер, який продавали школам і ентузіастам електроніки, "ненавидів", коли його фотографували. Принаймні, якщо фото робили зі спалахом на великій ксеноновій лампі.

"Ми всі із задоволенням його "крешили", - згадує Ебен Аптон, засновник Raspberry Pi.

Вони зрозуміли, що один із чипів комп'ютера був вразливим до фотоелектричного ефекту - коли світло спричиняє вивільнення електронів і, відповідно, появу електричного струму. Своєрідний зворотний "світловий вимикач".

Аптон і його колеги не передбачили цієї проблеми. Її виявив користувач Raspberry Pi 2 менш ніж за тиждень після того, як пристрій надійшов у продаж на початку 2015 року. У наступних версіях комп'ютера "проблемний" чип отримав чорне покриття, достатньо товсте, щоб поглинати світло.

Більше ніж століттям раніше Альберт Ейнштейн описав фотоелектричний ефект у проривній науковій статті - одній із чотирьох знакових робіт, які він опублікував у 1905 році, працюючи клерком у патентному відомстві Швейцарії.

Згодом, у 1921 році, він отримав Нобелівську премію з фізики саме за це відкриття.

Фотоелектричний ефект визначив розвиток багатьох технологій - від сигналізації проти грабіжників до сонячних панелей і камери у вашому смартфоні.

"Дивні явища"

Щоб краще зрозуміти, згадайте питання, яке захопило Ейнштейна у 1905 році: з чого складається світло?

Тоді багато науковців припускали, що світло існує виключно як хвиля, яка нібито поширюється у Всесвіті крізь невидимий "світлоносний ефір". Але для Ейнштейна ця ідея здавалася сміховинною - "наче Санта-Клаус", каже Стів Гімбел із Геттісберзького коледжу у США.

Науковці, зокрема Генріх Герц, вже продемонстрували варіанти фотоелектричного ефекту, використовуючи світло для створення крихітних іскор або для електричного заряджання золотих пластинок, які відштовхували одна одну.

"Були певні дивні, незрозумілі явища, коли світло могло створювати електрику, і це просто вибивало людей із колії - це здавалося абсолютно нелогічним", - каже Гімбел.

Найдивніше полягало в тому, що інтенсивність світла не впливала на енергію електронів, які вивільнялися, тоді як вирішальне значення мала частота або колір світла. Це було неймовірно. Більше світла мало б означати більше енергії, чи не так?

Ейнштейн зрозумів, що якщо світло складається не лише з хвиль, а й із дискретних пакетів або частинок (які пізніше назвуть фотонами), що рухаються у хвилях, тоді енергія цих окремих частинок могла б пояснити загадку.

"Коли один фотон влучає в електрон, він [електрон] збуджується", - пояснює Пол Девіс з Йоркського університету. Якщо цей фотон має достатньо енергії, виникає фотоелектричний ефект - і електрон вивільняється з матеріалу.

Уявіть собі, що ви кидаєте маленькі динамітні шашки в бочку з гарматними ядрами. Маленькі вибухи не виб'ють ядро, навіть якщо ви кидатимете їх безліч. Але якщо використати сильніший динаміт із більшою енергією - ядра розлетяться.

Значення енергії фотона прямо пов'язане з кольором видимого світла - фотони синього світла рухаються коротшими хвилями й мають більше енергії, ніж фотони червоного світла. Саме тому Герц виявив, що особливо енергійне ультрафіолетове світло викликало сильніші іскри під час його експериментів.

Тумани й фотоелементи

Гімбел наголошує, що Ейнштейн не вигадав цю теорію з нічого. Він спирався не лише на роботи Герца та інших, але й на теорію "квантів" фізика Макса Планка - ідею про те, що випромінювання, включно зі світлом, складається з дискретних порцій енергії. За це Планк також отримав Нобелівську премію з фізики у 1918 році. Але у 1905 році ця концепція ще була суперечливою.

"Ейнштейн мав революційний розум, він був готовий розглядати інші підходи, - каже Гімбел. - Він серйозно поставився до ідеї, що світло можна квантувати (тобто що світло складається з дискретних "порцій" енергії, квантів, а не є суцільною хвилею. - Ред.)".

Робота Ейнштейна була суперечливою - особливо його теорія відносності. Дехто з членів Нобелівського комітету з фізики тоді вагався вручати йому премію, і коли вони таки це зробили, то відзначили саме його роботу з фотоелектричним ефектом, а не відносність.

Науковці й досі сперечаються, чи це було правильне рішення, але немає сумнівів у тому, що використання фотоелектричного ефекту змінило світ, оскільки безліч технологій на ньому базуються.

Датчики руху в системах сигналізації, наприклад, випромінюють промінь інфрачервоного світла. Коли цей промінь перериває зловмисник, світло, яке отримує датчик, змінюється, електричний струм змінюється - і сигналізація спрацьовує.

Фінішні лінії на змаганнях на Олімпійських іграх використовували фотоелектричні датчики, щоб точно зафіксувати момент перетину бігуном. Подібна технологія дозволила кораблям виявляти туман і автоматично вмикати сирени. Вона також дала змогу автомобілям самостійно вмикати двірники, коли йде дощ.

Строго кажучи, фотоелектричний ефект стосується явища, коли електрони вивільняються з матеріалу, але Девіс каже, що він тісно пов'язаний із фотогальванічним ефектом, коли рух електронів сприяє появі електричного струму в суміжних матеріалах.

Саме це роблять сонячні елементи в сонячних панелях, перетворюючи світло сонця на електроенергію, забезпечуючи чисту, відновлювану енергію для електромереж і допомагаючи боротися зі змінами клімату.

Кремнієві сенсори

Ще одна популярна сфера застосування фотоелектричного ефекту - матриці камер, світлочутливі елементи цифрових камер, що створюють зображення.

Майже всі вони використовують технологію CMOS, яку вдосконалили в NASA у 1990-х для космосу, але згодом встановили на мільярди смартфонів.

"CMOS-матриця виявилася ідеальним пристроєм, скажімо так. Це виявилося дійсно проривною технологією", - каже інженер Ерік Фоссум, який працював над проєктом.

Кремній є ключовим матеріалом у CMOS-матрицях, і Фоссум, який тепер працює в Дартмутському коледжі, зазначає, що фотоелектричний ефект у кремнії спрацьовує на багатьох кольорах світла.

"Не має значення, зелене світло, червоне чи синє - один фотон вивільнить рівно один електрон. Нам, так би мовити, пощастило", - каже він.

Це дуже допомагає, коли потрібно зафіксувати колір об'єкта в усіх деталях.

Зараз Фоссум і його колеги працюють над матрицями, чутливими до найменшої кількості світла - одного фотона. Такі пристрої, відомі як лічильники фотонів, уже використовують в лабораторних експериментах, але вони можуть революціонізувати цифрові технології, наприклад, покращивши якість зображення в медичних КТ-сканерах і зменшивши опромінення пацієнтів.

Потенційні сфери застосування цим не обмежуються.

"Ми отримаємо можливість практично бачити в темряві з цією новою технологією", - каже Фоссум.

Інша науковиця, яка працює над пристроями на основі фотоелектричного ефекту, - це Дімітра Георгіаду з Саутгемптонського університету. Вона та її колеги розробляють технології, які можуть виявляти світло й обробляти інформацію про нього без потреби надсилати дані на центральний комп'ютер для аналізу.

"Це значно зменшує кількість необхідної енергії", - каже Георгіаду.

Це може допомогти дослідникам створювати надсучасні біонічні очі та повертати зір людям із вадами зору, завдяки розробці менших, простіших для імплантації та енергоефективніших пристроїв.

Це також може дозволити безпілотним авто швидше ухвалювати рішення про гальмування з міркувань безпеки.

Місячне сяйво

Технологія виявлення світла, над якою працює Георгіаду, не базується на кремнії, а використовує органічні матеріали, що містять вуглець, які можна налаштовувати так, щоб вони реагували лише на певні кольори світла, а також друкувати на гнучких матеріалах.

Така технологія може з'явитися у вигляді переносних, малопотужних світлових сенсорів, здатних відстежувати частоту серцебиття та рівень кисню в крові недоношених дітей, наприклад, завдяки пропусканню невеликих потоків світла крізь їхню шкіру у вени.

Відтоді як Ейнштейн у 1905 році описав свою теорію фотоелектричного ефекту, ми, безумовно, вигадали безліч цікавих способів його використати.

Але є ще дещо. Розуміння цього дивовижного взаємозв'язку світла й матерії розкрило незвичайні подробиці про те, як працює Всесвіт.

У 1960-х одні з перших місячних апаратів сфотографували горизонт Місяця, й тоді помітили щось дивне: незвичне сяйво, схоже на повільно згасаючий захід сонця. Проте на Місяці немає атмосфери, як на Землі, а саме розсіювання світла частинками в нашій атмосфері створює світанки та заходи.

Звідки ж бралося це місячне сяйво? Виявилося, що світло Сонця потрапляло в пил на поверхні Місяця, й завдяки фотоелектричному ефекту надавало йому позитивний електричний заряд.

Ці крихітні пилові частинки відштовхували одна одну, періодично здіймаючись над поверхнею Місяця. Коли це відбувалося, вони вловлювали світло Сонця, яке щойно зайшло - і створювали те чарівне сяйво.

Цей матеріал створений у співпраці ВВС з Nobel Prize Outreach