Лауреаты нобелевской премии по физике за 2009 год

Работает

В 1966 году вместе с Джорджем Хокхэмом Чарльз Као провел новаторскую работу по исследованию оптических волокон как средств связи, продемонстрировав, в частности, что существующие высокие потери были вызваны наличием примесей в волокне, а не проблемой, лежащей в основе сам дизайн. Он и его коллеги изучали не только оптическую физику, но и свойства материала. Их результаты были впервые представлены Чарльзом Као в начале 1966 года, а затем опубликованы в июне.

Чарльз Као пришел к выводу, что ограничение на ослабление света, характерное для оптического волокна, составляет менее 20 дБ / км ( децибел на километр , мера затухания сигнала на расстоянии), что является ключевым пороговым значением оптической связи. Это открытие положило начало гонке за материалы с низкими потерями и подходящие волокна для этой связи.

Чарльз Као и его новая команда (например, Т.В. Дэвис, М.В. Джонс и С.Р. Райт) преследовали эту цель, тестируя различные материалы. Они точно измерили ослабление света для разных длин волн в очках и других материалах. В этот период Чарльз Као отметил, что кварцевое стекло высокой чистоты (SiO ₂ ) делает его идеальным кандидатом для оптической связи. Это немедленно вызвало всемирное исследование и производство линейных стекловолокон с низкими потерями.

Чарльз Као также сыграл ключевую роль в разработке и маркетинге оптических средств связи.

Чарльз Као

Премия присуждена Као за «выдающиеся достижения в области передачи света по оптоволоконному кабелю».

В XIX веке были известны только 2 способа передачи информации на большие расстояния: по проводам и с помощью радиоволн. Однако пропускная способность этих каналов очень ограничена. Поэтому физики решили исследовать световые импульсы. Первую попытку передать телефонный разговор с помощью света совершил Александр Белл в 1880 году. Его фототон с помощью дрожания зеркала превращал звуковую волну в модулированный солнечный луч, передаваемый прямо по воздуху. Устройство имело ряд недостатков: информация была подвержена световым шумам и могла передаваться только в пределах прямой видимости. Очевидно, что для качественной работы устройства световой луч нужно было передавать по защищенному от внешних помех каналу.

Таким каналом может служить оптоволокно — тонкая и гибкая стеклянная нить в оболочке, проводящая свет за счет явления полного внутреннего отражения. Свет не может выйти за пределы оптоволокна, отражается и передается дальше. Однако использование в начале XX века обычного стекла оказалось невозможным из-за его слабой прозрачности (убедиться в этом можно самому, если смотреть сквозь торец вдоль стекла). В первой половине XX века даже в самых чистых стеклах свет быстро затухал, при этом коэффициент коэффициент затухания был равен примерно 1000 дБ/км. Оптоволокно применялось только для небольших расстояний, например, в медицине для эндоскопии.

В 1960-е годы молодой инженер китайского происхождения Чарльз Као, незадолго до этого защитивший диссертацию в Лондонском университете, решил разобраться в причинах слабой прозрачности стекла. Вместе Г. А. Хокэмом (G. A. Hockham) Као исследовал свойства стекла и пришел к выводу, что его прозрачность ухудшают примеси. Као предсказал, что если устранить эти примеси, то коэффициент затухания составит всего несколько дБ/км! Наименьшим коэффициентом затухания, по мнению Као, будет обладать кварцевое стекло. Ученый активно пропагандировал оптоволоконные технологии.

Сейчас исследователи смогли получить материалы с рекордной прозрачностью — с коэффициентом затухания менее 0,2 дБ/км. Это даже ниже, чем спрогнозировал Као. Минимальное поглощение приходится на длины волн 1,3 мкм и 1,55 мкм. Именно на этих частотах и работает оптоволоконная связь.

Выдвижение и отбор

Три лауреата Нобелевской премии по физике. Передний ряд L-R: Альберт А. Михельсон (Лауреат 1907 г.), Альберт Эйнштейн (Лауреат премии 1921 г.) и Роберт А. Милликен (Лауреат премии 1923 г.).

Максимум три Нобелевские лауреаты и две разные работы могут быть отобраны на соискание Нобелевской премии по физике. По сравнению с другими Нобелевскими премиями процесс выдвижения и отбора кандидатов на соискание премии по физике является долгим и тщательным

Это ключевая причина, по которой с годами она стала самой важной премией по физике

Нобелевские лауреаты выбираются Нобелевский комитет по физике, а Нобелевский комитет который состоит из пяти членов, избранных Шведская королевская академия наук. На первом этапе, который начинается в сентябре, группе из примерно 3000 отобранных профессоров университетов, лауреатов Нобелевской премии по физике и химии и других высылаются конфиденциальные формы для номинаций. Заполненные формы должны прибыть в Нобелевский комитет до 31 января следующего года. Кандидаты тщательно изучаются и обсуждаются экспертами, и их количество сокращается примерно до пятнадцати имен. Комитет представляет отчет с рекомендациями по окончательным кандидатам в Академию, где на уроке физики он обсуждается дополнительно. Затем Академия большинством голосов делает окончательный выбор лауреатов по физике.

Имена номинантов никогда публично не объявляются, и им также не сообщается, что они рассматривались на получение Премии. Записи о выдвижении запечатываются на пятьдесят лет. Хотя посмертные назначения не разрешены, награды могут быть присуждены, если человек умер в месяцы между решением комитета (обычно в октябре) и церемонией в декабре. До 1974 года посмертные награды разрешались, если кандидат умер после выдвижения.

Правила присуждения Нобелевской премии по физике требуют, чтобы важность признанных достижений была «проверена временем». На практике это означает, что разрыв между открытием и наградой обычно составляет порядка 20 лет, а может быть и больше

Например, половина Нобелевской премии по физике 1983 г. была присуждена Субраманян Чандрасекар за его работу по звездной структуре и эволюции, проделанную в 1930-е годы. Обратной стороной этого правила, проверенного временем, является то, что не все ученые живут достаточно долго, чтобы их работа была признана. Некоторые важные научные открытия никогда не рассматриваются в качестве призов, поскольку первооткрыватели умирают к тому времени, когда их работа оценивается по достоинству.

Презентация на тему: » Нобелевская премия по физике 2009 Кочемарова Е.В. 5 курс, ИФБиБТ, СФУ.» — Транскрипт:

Нобелевская премия по физике 2009 Кочемарова Е.В. 5 курс, ИФБиБТ, СФУ

2 Рис. 1. Лауреаты Нобелевской премии по физике за 2009 год Чарльз Као, Уиллард Бойл и Джордж Смит (изображение с сайта nobelprize.org) Исследования в области информационных технологий. Као стоял у истоков оптоволоконной технологии передачи данных, а Бойл и Смит изобрели полупроводниковое устройство, позволяющее напрямую, минуя фотопленку, получать цифровые фотографии.

3 Прибор с зарядовой связью ПЗС (по-английски CCD charged-coupled device).charged-coupled device Так называют полупроводниковое устройство, которое позволяет делать фотографии сразу же в цифровом формате: был световой поток и из него сразу же получился файл с изображением. ПЗС-матрица, которая сразу же давала пригодное для обсчета цифровое изображение, резко упростила и ускорила весь процесс наблюдения и обработки данных. Прибор с зарядовой связью стал возможен благодаря двум вещам: удивительному классу материалов, которые создала природа, полупроводникам, и смекалке исследователей.

4 Рис. 5. Схема устройства простейшей МОП- структуры (рисунок И. Иванова) Ключевым его элементом является простейшая МОП- структура («металлоксид полупроводник») слойка, состоящая из металлического слоя и слоя полупроводника, разделенного тонкой прослойкой изолятора, обычно оксида кремния. Полупроводник при этом выбирается такой, в котором главными носителями заряда являются не электроны, а «дырки», то есть полупроводник p-типа. К металлическому «пятачку» подходит электрод, и на него может подаваться нужное напряжение МОП-структура работает как светочувствительный пиксел с довольно большим диапазоном градаций яркости.

5 Рис. 6. Принцип работы зарядовой связи в ПЗС-матрице (изображение с сайта wikipedia.org) Новый метод передачи данных (Бойл и Смит).

6 Рис. 7. Принцип считывания информации с двумерной ПЗС-матрицы (изображение сайта с ferra.ru) Двумерная ПЗС-матрица.

7 Применение ПЗС-матриц. вошли в нашу жизнь в виде компактных цифровых фото- и видеокамер. используются в медецине,резко расширили как диагностические (эндоскопия), так и оперативные возможности врача. детектирования оптического излучения. применяются в малодозных цифровых рентгеновских установках. на основе ПЗС функционируют вершинные детекторы для регистрации элементарных частиц, рождающихся на современных коллайдерах.вершинные детекторы ПЗС матрицы стоят во всех современных телескопах, включая космические. Конечно, современные ПЗС-матрицы значительно совершеннее.

Джордж Смит, Уиллард Бойл

Премия присуждена за изобретение прибора с зарядовой связью (ПЗС). Это изобретение широко используется в цифровой фотографии, а раньше получение цифровых фото было длительным и трудоемким процессом. Изображение фотографировали, печатали фото, сканировали его и получали файл, который затем обрабатывали. Изобретенная Смитом и Бойлом ПЗС-матрица сразу давала цифровое изображение, пригодное для обсчета.

Бойл и Смит являлись сотрудниками знаменитой лаборатории Bell Labs и получили задание создать устройство для хранения и считывания информации, которая сохранялась бы в виде микроскопических «облачков заряда».

Ученые взялись за работу 17 октября 1969 года и буквально в течение часа начертили прототип требуемого устройства с зарядовой связью. Главным элементом устройства является простая МОП-структура («металл—оксид—полупроводник»), состоящая из слоев металла (на него может быть подано напряжение), изолятора и полупроводника p-типа, в котором носителями заряда являются «дырки». Наличие облачка электронов будет означать единицу информации, а его отсутствие — ноль.

Чтобы «дырки» не поглотили свободные электроны, на металлический электрод МОП-структуры подается положительное напряжение. Дырки убегут прочь, а электроны — останутся.

А как считать информацию? Если напряжение исчезнет, дырки сразу же поглотят свободные электроны. Поэтому Бойл и Смит изобрели так называемую зарядовую связь. Смысл ее в том, что помимо основных ячеек, несущих информацию, имеются и вспомогательные (они чередуются с основными). Для хранения информации напряжение сперва подается на основные ячейки, потом на все, затем только на вспомогательные. При этом «ловушки для электронов» перемещаются на одну ячейку, и за ними следуют электроны. Таким образом, все заряды могут смещаться к крайней ячейке. В этой ячейке стоит устройство, которое просто считывает поступивший заряд-информацию. Так цикл за циклом обрабатывается весь массив данных.

Как появилась информация на ПЗС-матрице? Она возникается там самостоятельно под действием света при фотографировании. Полупроводник обладает светочувствительностью, поэтому при облучении образуются пары электронов и «дырок». Электроны оседают в «ловушках», а дырки уходят. Следовательно, в ячейках накапливается заряд, пропорциональный поглощенному световому потоку.

Конечно, современные цифровые фотоаппараты и видеокамеры устроены намного сложнее, умеют различать цвета и избегать переполнения «ловушек для электронов», но общий принцип работы остался все тот же — изобретенный Бойлом и Смитом.

Подготовлено по материалам Elementy.ru.

Ранее: Нобелевская премия по физике за 2008 год.

Отличия и награды

Академические отличия

Пожизненный член Института инженеров по электротехнике и радиоэлектронике , США (1979);
Член Королевского общества (1997);
Член Королевской инженерной академии (1989 г.);
Член Academia Sinica (выборы 1992 г.);
Член Гонконгской академии инженерных наук , Гонконг;
Иностранный член Китайской академии наук (1996);
Член Европейской академии наук и искусств ;
Член Американской национальной инженерной академии (1990 г.);
Иностранный член Шведской королевской академии инженерных наук;
Почетный член Королевы Марии Лондонского университета ;
Почетный профессор Китайского университета Гонконга (1996);
Доктор Honoris Causa из Университета Дарема (1994)
Почетный доктор Гонконгского китайского университета (1985).

Награды

1976: Премия Мори Американского керамического общества (en) , США.
1977: медаль Стюарта Баллантина, Институт Франклина , США.
1978: Ранговая премия, Ранговый трастовый фонд, Великобритания.
1978: памятная медаль Морриса Н. Либмана IEEE .
1979: Международная премия LM Ericsson, Швеция.
1980: Золотая медаль, AFCEA (en) , США.
1985: медаль Александра Грэма Белла IEEE .
1985: Международная научная премия Маркони, Фонд Маркони , США.
1985: Медаль Колумба города Генуя , Италия.
1987: премия C&C, Фонд коммуникации и продвижения компьютеров, Япония.
1989 г., медаль Фарадея (in) , Институт инженеров-электриков (in) , Великобритания.
1989: премия Джеймса К. МакГродди за новые материалы Американского физического общества (APS).
1992: Золотая медаль Общества SPIE .
1993: Командор Ордена Британской империи.
1995: Золотая медаль за выдающиеся достижения в области инженерии, Всемирная федерация инженерных организаций (WFEO), Великобритания.
1996: принц Филипп Medal (в) из Королевской инженерной академии ; в знак признания «его новаторской работы, которая привела к изобретению волоконной оптики, а также за его лидерство в разработке и маркетинге, а также за его выдающийся вклад в высшее образование в Гонконге».
1996: 12- я премия Японии ; «За новаторские исследования в области широкополосной оптоволоконной связи с низкими потерями».
астероид (3463) Kaokuen обнаружен в 1981 году был назван в честь Чарльза Као в 1996 году.
1999: премия Чарльза Старка Дрейпера (совместно с Робертом Д. Маурером и Джоном Б. Макчесни).
2006: Золотая медаль HKIE (HKIE: Гонконгский институт инженеров).
2009: Чарльз Као получает Нобелевскую премию по физике (1/2 стоимости): «за выдающиеся достижения в области передачи света в оптических волокнах для связи».

биография

Чарльз Као родился в Шанхае (ныне район Цзиньшань ) в 1933 году. Его отец был юристом. У него есть младший брат по имени Као У (高鋘).

Он получил докторскую степень в области электротехники в 1965 году в Имперском колледже Лондона (в то время колледж Лондонского университета ). Во время учебы в докторантуре Као также работал инженером в Standard Telecommunication Laboratories , лаборатории стандартных телефонов и кабелей (en) (STC) в Харлоу , Англия (ныне Nortel Networks ).

После ухода из STL он работал директором по исследованиям в ITT Corporation . Он присоединился к Китайскому университету Гонконга в 1970 году и был проректором университета с 1987 по 1996 год. Затем он работал управляющим директором Transtech, а затем президентом и управляющим директором ITX Services .

Чарльз Као был награжден половину 2009 Нобелевской премии по физике на6 октября 2009 г. За его вклад в изучение передачи света в волокнах для оптической связи.

Задний план

Альфред Нобель в своей последней воле и завещании заявил, что его богатство должно быть использовано для создания серии премий для тех, кто приносит «наибольшую пользу человечеству» в области физики , химии , мира , физиологии или медицины и литературы . . Хотя Нобель написал несколько завещаний при жизни, последнее было написано за год до его смерти и подписано в Шведско-норвежском клубе в Париже 27 ноября 1895 года. Нобель завещал 94% своего общего имущества, 31 миллион шведских крон ( США ). 198 миллионов долларов, 176 миллионов евро в 2016 году) для учреждения и присуждения пяти Нобелевских премий. Из-за уровня скептицизма, связанного с завещанием, только 26 апреля 1897 г. оно было одобрено стортингом (парламентом Норвегии). Исполнителями его завещания были Рагнар Зольман и Рудольф Лильеквист, которые создали Нобелевский фонд, чтобы заботиться о состоянии Нобеля и организовывать премии.

Члены Норвежского Нобелевского комитета, которые должны были присудить премию мира, были назначены вскоре после утверждения завещания. Затем последовали другие организации, присуждающие премии: Каролинский институт 7 июня, Шведская академия 9 июня и Шведская королевская академия наук 11 июня. Затем Нобелевский фонд установил правила присуждения премий. В 1900 году новый устав Нобелевского фонда был обнародован королем Оскаром II . Согласно завещанию Нобеля, Шведская королевская академия наук присудит премию по физике.