Кріогенна (від грецького «Кріос» - холод, мороз) електроніка, або Кріоелектроніка - напрям електроніки, що охоплює дослідження при кріогенних температурах (нижче 120 К) специфічних ефектів взаємодії електромагнітного поля з носіями зарядів у твердому тілі і створення електронних приладів і пристроїв, що працюють на основі цих ефектів, - кріоелектронних приладів. Кріоелектроніка - одна з основних і дуже перспективних галузей науки. Її інтенсивному розвитку сприяли, з одного боку, широкі дослідження явищ, що відбуваються в твердому тілі при низьких температурах, і практичне застосування отриманих результатів у різних галузях радіоелектроніки (в першу чергу, у космічній радіоелектроніки), а з іншого - певні досягнення кріогенної техніки, що дозволили на підставі як нових, так і раніше відомих принципів розробити економічні, малогабаритні і надійні системи охолодження. Значним стимулом до розвитку Кріоелектроніка послужило також і те важлива обставина, що при створенні сучасних електронних пристроїв - високочутливої радіоприймальної апаратури, швидкодіючих електронних обчислювальних машин та ін - конструктори підійшли буквально до межі можливостей радіоелектроніки, принципово досяжному в звичайному інтервалі температур. Використання низьких температур дозволяє подолати цю перешкоду і відкриває нові шляхи в розробці радіоелектронних систем. По-перше, глибоке охолодження сприяє значному поліпшенню технічних і економічних параметрів радіоелектронних пристроїв - переваги компактних надпровідних запам'ятовуючих пристроїв великої ємності і швидкодії для ЕОМ, надпровідних магнітів та іншої апаратури незаперечні. По-друге, виникають в умовах глибокого охолодження явища, які притаманні лише такого стану речовини, дозволяють створювати принципово нові прилади. Саме так, наприклад, був сконструйований мазер, успішно використовується в супутникових системах зв'язку, радіоастрономії і т. д. Кріоелектроніка вивчає особливості поведінки радіоелектронних компонентів і матеріалів при дуже низьких температурах (0 - 20 К), зокрема такі незвичайні явища, як надпровідність. Для робіт в області Кріоелектроніка характерний великий розмах лабораторних досліджень. Показовими є роботи по створення надпровідних накопичувачів енергії великої ємності. Призначені спочатку для бульбашкових камер, надпровідні накопичувачі енергії також успішно застосовуються в якості генераторів накачування для потужних лазерів та іншої радіотехнічної апаратури. Виходять зі стін лабораторій надпровідні лінії затримки різного призначення, кріоелектронние запам'ятовувальні пристрої, охолоджувані підсилювачі і т. д. Оскільки Кріоелектроніка виникла на стику декількох різних наукових напрямків, перші публікації в цій галузі були пов'язані з традиційними напрямами. Проте вже з початку 60-х років починають з'являтися спеціальні видання, цілком присвячені кріоелектроніці, і перші монографії. Історичні аспекти кріоелектроніки Питання про мінімально можливій температурі вперше привернув увагу дослідників ще близько ста років тому. Нині охолодження до низьких температур широко використовується на практиці у різного роду пристроях і системах, особливо в радіоелектронній апаратурі. Це стало можливим завдяки успішному вирішенню проблеми скраплення газів. Хоча багато гази зріджується порівняно легко, спочатку вважалося, що деякі газоподібні речовини при будь-яких умовах зберігають свій стан незмінним. Проте в другій половині XIX ст. вчені досягли певних успіхів у дослідженні проблеми переходу речовин з газоподібного стану в рідкий. Зокрема, було встановлено, що кожен газ характеризується деякою критичної температурою, вище якої його неможливо скраплювати тільки шляхом підвищення тиску. У 1898 р. вперше був отриманий рідкий газ (водень), а в 1908 р. голландський фізик Камерлінг-Оннес здійснив зріджування гелію, завершивши тим Найкращі перший етап робіт зі зрідження газів. У наступні десятиліття почався швидкий розвиток методів використання нових кріогенних рідин - зріджених газів у фундаментальних наукових дослідженнях у промисловості. Від лабораторних експериментів, які, до речі, призвели до відкриття явища надпровідності, перейшли до виробництва зріджених газів у промислових масштабах. Їх стали випускати тоннами з сумішей газів, наприклад повітря (розділяючи його на складові - кисень, азот і інертні гази). Суто науковий інтерес і потреби промисловості стимулювали дослідження фізичних властивостей матеріалів при глибокому охолодженні. Такого роду дослідження виявилися особливо важливими для радіоелектроніки, де в 40 - 50-х роках з'явилося багато нових матеріалів, зокрема напівпровідників. Десятиліттям пізніше інтерес фахівців з радіоелектроніки до використання кріогенних рідин ще більше зріс. З їх допомогою вдалося поліпшити параметри (зокрема, підвищити чутливість) звичайних радіотехнічних схем і створити принципово нові радіоелектронні пристрої, наприклад мазер. Найбільш поширені охолоджуючі агенти (кріогени) при нормальному атмосферному тиску мають такі температури кипіння: He - 4 K; H - 20 К; N - 77 К; О - 90 К; CO2 - 195 K (сімблірует). Чіткого і однозначного визначення інтервалу кріогенних (низьких) температур немає, але найчастіше його обмежують областю, тягнеться приблизно від 100 К до абсолютного куля (0 К). Іноді особливо виділяється інтервал 20 - 0 K, званий інтервалом гіперкріогенних (наднизьких) температур. Більшість кріогенних систем, що використовуються в радіоелектроніці, працює при нормальній температурі кипіння рідкого гелію, тобто приблизно при 4 К. Однією з найважливіших проблем сучасної електроніки вважається проблема зменшення ступеня невпорядкованості структури речовини. Для цієї мети застосовується глибоке охолодження. Матеріали, застосовувані в електроніці, зазвичай оцінюють з точки зору упорядкованості їх хімічної (чистоти) і геометричній (кристалічною) структури, а також упорядкованості руху частинок речовини (температури). Будь-які чинники, викликають відхилення в русі носіїв заряду між двома точками, зменшують ефективну силу струму. Всякого роду невпорядкованість структури сприяє таким отклонениям, збільшуючи тим самим електричний опір матеріалу. В складних електронних системах потрібно, щоб електричний сигнал заданої форми проходив через матеріал без спотворення. Однак невпорядкованість структури матеріалу призводить до зменшення амплітуди сигналу і зміни його форми, тому що її вплив носить випадковий характер. Наприклад, плавне синусоїдальну коливання стає спотвореним, нерівним, і в системі виникають небажані сигнали (перешкоди). Подивимося, як різні типи невпорядкованості структури провідника впливають на його питомий опір. Порушення хімічної структури, обумовленого присутністю навіть незначної кількості домішки, досить, щоб помітно збільшити удільне опір металевого провідника. Так, додавання до міді 0,1% фосфору призводить до зменшення її провідності приблизно на 50%, тоді як введення 1% кадмію (для отримання сплаву більшої механічної міцності) зменшує його провідність лише трохи більше ніж на 10%. У хімічно чистому матеріалі геометричний порядок його внутрішньої структури може бути порушений за рахунок залишкових напружень (Деформацій), що виникли при механічній обробці. Тому після холодної протяжки питомий опір міді зазвичай зростає на кілька відсотків. Подібні порушення фізичної упорядкованості, зумовлені залишковими напруженнями, можна усунути або, принаймні, зменшити шляхом відпалу матеріалу. Вплив різних типів геометричній упорядкованості особливо помітно в несиметричних кристалах, наприклад в цинку, де різниця в питомому опорі для двох взаємно перпендикулярних напрямів в кристалічній решітці досягає 4%. Взаємозв'язок хімічної та геометричній упорядкованості ми можемо спостерігати в експериментах з отримання сплавів міді з золотом. При збільшенні концентрації золота удільне опір випадкової суміші зростає. Але якщо випадкову суміш, яка містить близько 25% золота, отжигать протягом тривалого часу, то виявляється тенденція до перегрупування атомів в впорядковану структуру сплаву Cu3Au. Питомий опір різко падає, хоча і залишається вище, ніж у чистої міді. Говорячи про Кріоелектроніка, основну увагу слід приділити кінетичної впорядкованості (упорядкованості руху) частинок, так як зниження температури зазвичай дозволяє звести цю невпорядкованість до мінімуму. У провіднику кінетичний безладдя пов'язаний зі випадковим рухом вільних електронів, а в будь-якому твердому тілі він обумовлений тепловими коливаннями атомів в кристалічній решітці. При низьких температурах обидва типи невпорядкованості значно зменшуються. В деякому відношенні теплове коливання атомів у твердому тілі можна розглядати як своєрідне порушення геометричного порядку, оскільки в результаті таких коливань порушується регулярний крок кристалічної решітки. Як показав де Бройль, руху кожного атома кристалічної решітки можна приписати певні хвильові властивості. Таким чином, в будь-якому твердому тілі існують пружні хвилі, що поширюються зі швидкістю звуку. Ці хвилі є хіба локалізовані, зосереджені пакети (кванти) теплової енергії, подібно до того, як фотони є локалізованими пакетами електромагнітної енергії. Кванти теплової енергії називаються фононами; як і фотон, кожен фонон характеризується енергією hf (де f - частота, відповідна довжині хвилі фонона) і кількістю руху (імпульсом). У певних випадках фонон зручно розглядати як частинку. Таким чином, можна вважати, що тверде тіло містить хаотично, безладно переміщаються фонони різних енергій, які соударяются з рухомими носіями заряду, що створюють в матеріалі електричний струм. При зниженні температури число таких фононів в матеріалі зменшується, і тому його питомий опір падає. Фонони грають у речовині певну позитивну роль: в процесі рекомбінації електронно-діркової пари вони забезпечують збереження кількості руху, завдяки чому стає можливим процес рекомбінаційної люмінесценції. Напівпровідники, використовувані в електроніці, зазвичай мають дуже високий ступінь хімічної (а часто ще й геометричній) впорядкованості. Низька температура дозволяє значно зменшити в них небажаний власний струм, але для іонізації атомів і, отже, утворення вільних носіїв, як правило, необхідна певна кількість теплової енергії. Точно так само, щоб звести до мінімуму шуми електронної лампи (тобто забезпечити безперешкодний рух електронів від катода до аноду), необхідно забезпечити належну геометрію провідників у її управляючих сітках. Але в той же час загальновідомо, що для нормальної роботи лампи катод повинен бути розігрітий до високої температури, а тому струм емісії характеризується високим ступенем кінетичної невпорядкованості, яка і обумовлює шуми. Однак найбільш цікаві і потенційно важливі особливості радіоелектроніки низьких температур зводяться до винятковим, тонким ситуацій, які виникають тільки тоді, коли невпорядкованість звичайних типів зведена до мінімуму. У надпровідниках між парами електронів існує особливий вид упорядкованості, завдяки цьому опір матеріалу стає рівним нулю і всередині нього не виникає магнітного поля. Але якщо температура матеріалу досить висока, фонони руйнують ці впорядковані пари електронів і надпровідний стан зникає. Аналогічним чином упорядкований стан порушується і матеріал повертається в нормальний стан і тоді, коли щільність струму чи напруженість зовнішнього магнітного поля перевищить критичне значення. У Мазері особлива форма впорядкованості проявляється в тому, що на більш високому з двох енергетичних рівнів знаходиться значно більше атомів, ніж на більш низькому. Однак ця нестійка форма рівноваги швидко порушується через теплової невпорядкованості, після чого знову відновлюється нормальне рівноважний стан, при якому переважають атоми з низькими енергіями. Необхідну стан нестійкої рівноваги можна забезпечити лише шляхом подачі в систему енергії ззовні, причому кількість цієї енергії тим менше, чим нижче температура. Принципи, на яких грунтуються надпровідні і лазерні системи, відомі більше півстоліття, але тільки в останні десятиліття вони отримали широке технічний розвиток. Мазер використовувався у сучасних системах радіозв'язку, був досягнутий значний прогрес в області застосування надпровідників в різних радіоелектронних системах і пристроях: великих електронно-обчислювальних машинах, великих електродвигунах і генераторах, електромагнітах, трансформаторах і лініях передач електроенергії. Відкриття, на кшталт ефекту Джозефсона, також знайшли своє застосування в області дуже низьких температур, де безладні теплові обурення настільки малі, що стає можливим спостерігати і використовувати дуже тонкі, ледь вловимі явища. В останні десятиліття все ширше розгорталися роботи зі створення нових електронних приладів і складних систем, заснованих на властивостях твердого тіла при кріогенних температурах. Цьому сприяють не тільки успіхи у фізиці низьких температур і техніці глибокого охолодження, але і поява нових проблем, які не вирішуються іншими методами. Кріоелектроніка охоплює широке коло питань: від взаємодії електромагнітних хвиль з твердим тілом при сильному ослабленні теплових коливань грат до методів охолодження і конструювання кріоелектронних автономних приладів з корпусом-кріостата. Основні напрями кріоелектроніки
А кому не до душі кріоелектроніка — можна піти вчитись в МАУП. Ось список кафедр інституту права http://maup.com.ua/ru/instituts/institut_prava/kafedryi
