Dr. Synergetic

control of chaos

Экситонная физика: YIC автоволны-квазичастицы

чт, 10/06/2011 - 17:31 -- g3RamxW7P5tANUmd

Синергетика: учение о взаимодействии. Синергетика лежит в основе множества разнообразных явлений природы – как живой (включая человеческое общество), так и неживой – словом, повсюду, где идут фундаментальные процессы самоорганизации.

Основу многих внутриклеточных структур составляют жидкие кристаллы! Деформации жидкокристаллических структур (мембраны, митохондрии и др.) могут сказаться на их проницаемости, играющей важную роль в регуляции биохимических процессов и выполнении ими биологической функции.

Активная среда (клетка, ткань…) – это двухуровневая система, которая может находиться в двух существенно различных состояниях: высоко- и низкоэнергетическом. При распространении автоволны на ее переднем фронте элементы среды переходят с высокоэнергетического уровня на низкоэнергетический. Выделяющаяся при этом энергия расходуется на запуск аналогичных переходов на участках среды, расположенных непосредственно перед фронтом автоволны.

Простейшие активные среды (среды без восстановления) после перехода остаются на низкоэнергетическом уровне, и автоволна повторно по ним распространятся уже не может. В активных же средах с восстановлением автоволны могут распространяться сколько угодно раз, так как каждый элемент такой среды возвращается на высокоэнергетический уровень в следствии медленных процессов накачки энергии. В возбудимых клетках высокоэнергетическому состоянию соответствует большая разность энергетических потенциалов между внутренней и внешней сторонами мембраны клетки, а низко-энергетическому – малые значения этой разности. Пока не окончился процесс, возвращающий систему в высокоэнергетическое состояние, элемент среды обычно невозбудим; соответствующее время называется временем рефрактерности (термин, пришедший из физиологии возбудимых клеток).

Рассмотренный пример делает понятным следующее общее определение: автоволны представляют собой самоподдерживающиеся сигналы, которые индуцируют процессы локального высвобождения запасенной в среде энергии, затрачивающейся на запуск аналогичных процессов в соседних областях.

Распространение автоволны происходит как бы по эстафете: сигнал заново воспроизводится в каждой точке среды и поэтому передается через среду без затухания и искажений.

Особое внимание привлекают модели активных сред, построенные на основе полупроводников и сегнетоэлектриков: имея в виду различные их приложения в микроэлектронной технике.

Можно создать активную среду, используя, например, эффект температурно-электрической неустойчивости в полупроводниках. Рассмотрим полупроводник, имеющий при обычной температуре очень низкую проводимость. Его энергетическая структура имеет: зону проводимости, примесные уровни, заполненную зону. Зона проводимости отделена от заполненной зоны широкой энергетической щелью. Внутри этой щели имеются примесные энергетические уровни. В темноте такие уровни не заполнены, но при освещении кристалла электроны поглощают кванты света и перебрасываются на эти более высокие уровни.

Пусть к кристаллу приложено электрическое напряжение. Как отмечалось выше, при обычной температуре в зоне проводимости практически нет электронов, и поэтому электрический ток не идет. Электроны, находящиеся на примесных уровнях, также не дают вклада в ток.

Повысим теперь температуру кристалла. Тогда электроны за счет теплового возбуждения получат возможность переходить с примесных уровней в зону проводимости. В результате появится ток. При прохождении тока будет выделятся тепло, и это приведет к дополнительному разогреву кристалла. Повышение температуры увеличит поток электронов, поступающих в зону проводимости с примесных уровней, температура еще более возрастет и т.д.. В кристалле быстро разовьется тепловая лавина, напоминающая процесс горения.

Ограничение тепловой лавины будет достигнуто за счет опустошения примесных уровней. Электроны на эти уровни под действием света поступают крайне медленно. Вслед за ограничением тепловой неустойчивости, в отсутствие притока новых электронов в зону проводимости, их число в этой зоне начнет уменьшатся за счет процессов рекомбинации. Это приведет в конце концов к остыванию кристалла до температуры окружающей среды. Переходы под действием света вновь заполнят электронами примесные уровни, и исходное состояние кристалла восстановится.

Если теперь рассмотреть протяженный полупроводниковый кристалл, видно, что в результате однократного локального разогрева по нему побежит одиночная волна возбуждения, напоминающая волну горения в степи. Роль «горючего материала» играет в данном случае электроны на примесных уровнях. После его полного исчерпания «огонь гаснет» - электронов на примесных уровнях нет. Вслед за этим «трава вновь отрастет» - электроны медленно забрасываются на примесные уровни под действием света.

В кристаллах, если представить себе их энергетическую топографию, валентные электроны вместо отдельных энергетических уровней имеют непрерывный ряд значений энергии в определенном интервале, т.е. зону энергии. В зонах электроны приобретают коллективные свойства. Они перестают принадлежать отдельным атомам и обобществляются по всему кристаллу. Интервал энергии нормальных состояний коллективизированных электронов называется валентной зоной. Есть здесь и зона возбужденных состояний – зона проводимости. Она отделена от валентной зоны энергетическим барьером, называемым запрещенной зоной.

К настоящему времени получены опытные доказательства существования экситонов во многих кристаллах, в том числе рентгеновских экситонов, и изучены их свойства.

Были определены и энергия образования и фотодиссоциации экситона, и другие его характеристики. Оказалось, что в экситоне процессы протекают также и в обратном направлении – в сторону уменьшения энергии. При этом экситон переходит с высоких уровней возбуждения на низкие и исчезает вследствие рекомбинации электрона с положительным зарядом. В этих процессах запасенная энергия выделяется в виде излучения (люминесценции) или тепла. При этом могут наблюдаться и другие явления, например экситонные удары.

Экситон имеет ограниченную «продолжительность жизни», и все его состояния без исключения являются уровнями возбуждения. Как динамическое образование, экситон способен перемещаться по активной среде на значительные расстояния и переносить энергию. Кроме поступательного движения он вращается вокруг общего центра, т.е. обладает собственным моментом количества движения (спином). В отличие от электрона, экситон относится к разряду частиц с целочисленным спином, как например, у фотона.

Экситоника: SQUED экситоны

На подобие Экситона Фотону в настоящее время обращается особое внимание в связи с перспективой создания сверхмощных экситонных квантовых генераторов.

Экситон способен вступать в соединения друг с другом, подобно атомам химических элементов. Сейчас научились создавать целые Экситонные Комплексы, образующиеся в условиях больших концентраций экситонов.

Важные результаты достигнуты в исследованиях коллективных свойств экситонов.

Экситонная YIC модель – сеть дискретных элементов, связанных между собой по определенных законах, может служить моделью искусственного интеллекта в том смысле, что такая динамическая система может проявлять свойства, характерные для высокоразвитого интеллекта, такие, например, как ассоциативная память, узнавание сложных образов и т.п..  В частности, конструкция динамической YIC системы, демонстрирующей ассоциативную память, может быть основана на следующей идее. Пусть в YIC системе имеется набор аттракторов, с каждым из которых связана типичная картина-образ, и все пространство состояний (фазовое пространство) делятся на области притяжения так, что любое начальное состояние (кроме состояний на сепаратрисах, которые, впрочем, неустойчивы) эволюционируют к какому-либо аттрактору. Тогда с любым предъявленным образом ассоциативно связан один из заданных образов, а именно тот, к области притяжения которого принадлежит предъявленный образ.

Перспективные надежды, возлагаются на сверхплотные состояния экситонов.  Работы, ведущиеся в этом направлении, нацелены на получение в конечном счете новой формы вещества – Экситонного Вещества. Это вещество должно обладать свойством сверхтекучести. Оно будет способно существовать в двух агрегатных состояниях – жидком и газообразном. Существование «особого» возбужденного состояния -  экситона -послужило основой новой полупроводниковой техники – Экситоники; создало новое направление – Экситонную физику.

Экситоны участвуют во многих физических процессах, и не только физических…

Отмечается существенная роль экситонов в процессах Онко-кинетики. Экситоны «высоких энергий» формируют механизмы раковых заболеваний.

SQUED экситоны помогают в лечении многих заболеваний человека!