Znajdź zawartość

Nieczęsto zdarza się konieczność weryfikacji podstawowych praw fizyki. Większość podstawowych zasad działania układów elektrycznych ma już około dwustu lat i wydają się niewzruszone. A jednak: naukowcy z Uniwersytetu w Illinois wprawdzie nie obalili żadnego z nich, ale jedno musieli napisać na nowo: prawo Kirchhoffa. Prawo Kirchhoffa, sformułowane w 1845 roku, opisuje przepływ prądu w rozgałęzieniach obwodu elektrycznego. Mówi ono, że ładunek na wejściach (suma natężeń prądów) musi być równy ładunkowi na wyjściach układu. Inaczej mówiąc, cała energia dostarczona przez prąd elektryczny musi opuścić układ. Prawo to stosowało się na przykład do tranzystorów, czy układów scalonych. Aż do tej pory zawsze wszystko się zgadzało. Do czasu, kiedy inżynierowie Uniwersytetu w Illinois rozpoczęli badania z wykorzystaniem lasera tranzystorowego, stanowiący główny jego element tranzystor trójportowy oprócz wyjścia elektrycznego posiada jeszcze jedno: emitujące fotony. Dzięki temu urządzeniu możliwe jest dokładne badanie zachowania fotonów, elektronów, półprzewodników. Zdobyta wiedza pozwoli na projektowanie lepszych, szybszych układów elektronicznych, szybszego przetwarzania sygnałów cyfrowych, komunikacji optycznej, komputerów i innych. Wyniki eksperymentów z trójportowym tranzystorem nie zgadzały się z teoretycznymi wyliczeniami wynikającym z prawa Kirchhoffa. Wywołało to zrozumiale zmieszanie naukowców. Czy opracowany układ łamie uznane prawo fizyki? W jaki sposób prawo decyduje o parametrach wyjściowego sygnału? Dla dotychczasowych tranzystorów wszystko grało, dlaczego prawo zachowania ładunku i zachowania energii nie chce się stosować, kiedy wyjściowa energia jest emitowana w dwóch różnych postaciach? Sygnał optyczny jest ściśle związany z sygnałem elektrycznym, ale nie stosowano dotychczas niczego takiego w tranzystorze - mówią autorzy odkrycia. - Prawo Kirchhoffa obejmuje zachowanie ładunku elektrycznego, ale nie obejmuje równowagi między różnymi postaciami energii. Pytanie: jak to połączyć w całość i jak przełożyć na język układów optyczno-elektrycznych? Dotychczasowe prawo tyczyło się cząstek: elektronów, które wchodzą i wychodzą z układu - kontynuują. - Ale nie dotyczy zachowania energii tak, jak do tej pory to rozumieliśmy i jak to stosowaliśmy. Po raz pierwszy możemy obserwować, jak energia zachowuje się w procesie jej zachowania. Unikatowe właściwości lasera tranzystorowego pozwoliły - i zmusiły naukowców do przeformułowania dotychczasowego prawa w taki sposób, aby brało pod uwagę zarówno zachowanie elektronów, jak i fotonów. Dotychczasowe prawo napięcia zostało zastąpione prawem napięcia i energii. Na podstawie przeformułowanego prawa stworzono matematyczny model działania mikrofalowego lasera tranzystorowego, który w dotychczasowych symulacjach wykazał swoją poprawność. Pozwoli to na bardzo dokładne przewidywanie właściwości elektrycznych i optycznych układów, zależnych od częstotliwości. Odkrycia dokonali Milton Feng i Nick Holonyak Jr., pracownicy Wydziału Inżynierii i Fizyki Elektrycznej i Komputerowej (Electrical and Computer Engineering and Physics) na Uniwersytecie Illinois.