Квантовое зацепление фотонов уже достаточно давно подтверждено экспериментально и используется в разработке криптографических методов. И вот впервые физики убедительно продемонстрировали, что физически разделенные частицы в твердотельных устройствах могут пребывать в состоянии квантового зацепления.

И оптическое, и твердотельное зацепление прокладывают потенциальный путь к квантовым вычислениям и безопасным коммуникациям, но твердотельная версия более легко инкорпорируется в электронные устройства.

В экспериментах по зацеплению фотонов пара фотонов может быть разделена с помощью расщепителя луча. Несмотря на их физическое разделение, зацепленные фотоны продолжают представлять собой единый квантовый объект. Команда физиков из Франции, Германии и Испании выполнила эксперимент по зацеплению частиц в твердом теле, используя вместо фотонов в оптической системе электроны в сверхпроводнике.

В сверхпроводнике электроны образуют куперовские пары. В новом эксперименте куперовские пары двигаются через сверхпроводящий мост до тех пор, пока они не достигают углеродной нанотрубки, которая действует как электронный эквивалент расщепителя луча. Случайным образом электроны разделяются и направляются к отдельным квантовым точкам, но в то же время остаются в зацеплении. Хотя расстояние между квантовыми точками составляет всего около одного микрона, оно является достаточно большим для демонстрации зацепления, аналогичного тому, что наблюдается в оптических системах.

Вдобавок к возможности использования зацепленных электронов в твердотельных устройствах для вычислений и безопасных коммуникаций, эксперимент позволяет по-новому подойти к изучению квантово-механических зацепленных состояний в твердом теле.

На рис. приведено изображение типичного расщепителя куперовской пары, полученное с помощью сканирующего электронного микроскопа (длина полоски – 1 мкм). Центральный сверхпроводящий электрод (синий) соединен с двумя квантовыми точками, сконструированными на единой углеродной нанотрубке (пурпурный цвет). Зацепленные электроны внутри сверхпроводника могут двигаться в противоположных направлениях в нанотрубке, оказываясь в разделенных квантовых точках, но оставаясь в то же время в зацеплении.

Ученые из Университета штата Аризона (ASU) разработали изящный способ, существенно повышающий объем памяти на электронных чипах.

Исследователи во главе с Майклом Козицки (Michael Kozicki), профессором электротехники ASU и директором Центра по прикладной наноионике, показали, что они могут построить память со стековым дизайном на основе "ионной технологии памяти", что может сделать ее идеальным кандидатом для создания высокоплотной памяти. Самое главное, что новый метод использует хорошо известные электронике материалы.

«Технология открывает возможность для недорогого, высокоплотного хранения данных посредством укладки слоев памяти в стек внутри одного чипа, что может привести к созданию твердотельных жестких дисков большой емкости, которые позволят портативным системам быть меньше, надежнее и дольше работать без подзарядки батарей, – сказал Козицки. - Это значительное улучшение по сравнению с технологией, которую мы разработали два года назад на базе общепринятых в полупроводниковой промышленности материалов (двуокиси кремния, легированного медью) и которая могла бы заменить флэш-память. Сейчас мы добавили важную функциональность к ячейке памяти лишь путем использования другого общепринятого материала – кремния».

Козицки отметил, что используя имеющиеся технологии, исследователи быстро достигнут физических пределов устройств памяти. Этот факт стал причиной исследований в области новых типов памяти, которая может хранить больше информации на все меньшем физическом пространстве. Один из способов сделать это заключается в укладывании ячеек памяти в стек.

Козицки сказал, что стековая конструкция ячеек памяти не была достигнута раньше, потому что ячейки не могли быть изолированы. Каждая ячейка памяти имеет элементы для хранения данных и доступа к ним. Последний позволяет читать, писать или стирать данные в каждой ячейке индивидуально.

Раньше при объединении нескольких ячеек памяти, нельзя было получить доступ к одной из них без доступа ко всем остальным, поскольку все они были связаны общей шиной. Исследователям удалось электрически расщепить устройство доступа по одному для каждой ячейки.

До сих пор элементы доступа строились на кремниевой подложке. «Но если вы сделали один слой памяти, а выше еще один слой, то где вы поместите устройство доступа? - спрашивает Козицки. - Вы уже использовали кремний для первого слоя, а это монокристалл, поэтому на нем очень трудно создать несколько слоев».

Новый подход использует кремний, но не в виде монокристалла, а осаждая его слоями в рамках трехмерного процесса изготовления памяти. Основная проблема заключалась в построении диода в ячейке памяти. Диод должен был изолировать ячейки. Эта идея обычно включает в себя несколько дополнительных слоев и шагов обработки при создании схем, но его команда нашла элегантный способ достижения создания диода путем замены одного из известных материалов другим. В данном случае слой из металла был заменен слоем легированного кремния.

«Вместо одного транзистора на подложке, управляющего каждой ячейкой памяти, у нас есть ячейка памяти со встроенным диодом (устройство доступа), и это позволит нам создать столько слоев, сколько мы можем туда втиснуть», - сказал Козицки.

По мнению Козицки, стековая конструкция памяти является единственным способом достижения необходимой плотности для твердотельной памяти, способной конкурировать с жесткими дисками по стоимости и по емкости.

Основная идея была заимствована из первых радиоприемников. «Мы создали современный аналог спиральной контактной пружинки детекторного приемника, выращивая медные нанопроволоки прямо на кремнии для построения диода», - сказал Козицки.

Детекторные радиоприемники, изделия 1930-х годов, были простыми устройствами, которые использовали небольшую проволоку для контакта с поверхностью полупроводникового материала. Соединение между полупроводником и проводом создавало диод, который использовался в радиоприемнике.

«Казалось бы, что это смехотворно простая идея, но она работает, - сказал Козицки. - Она работает лучше, чем сложная идея».

Интересный трюк – связывание света в узел – был достигнут командой физиков, сотрудников университетов Бристоля, Глазго и Саутгемптона (Соединенное Королевство). Понимание того, как манипулировать светом таким способом имеет важные приложения в лазерной технологии, широко используемой в индустрии.

Д-р Марк Дэннис (Mark Dennis) из Бристольского университета дал следующие пояснения: «Пучок света переносится через пространство подобно воде, текущей в реке. Хотя он часто распространяется по прямой линии, свет может часто распространяться как завихрения, образуя в пространстве линии, называемые «оптические вихри». Вдоль этих линий, или оптических вихрей, интенсивность света равна нулю (темнота). Весь свет вокруг нас наполнен такими темными линиями, даже хотя мы их и не видим».

Дадим в этом месте некоторые пояснения. Оптический вихрь (известный также как винтовая дислокация, или фазовая сингулярность) представляет собой точку нулевой интенсивности поля. Эта область исследования известна как сингулярная оптика. Свет может закручиваться подобно штопору вокруг своей оси распространения. Вследствие кручения световые волны на оси сами себя уничтожают. При проекции на плоскую поверхность оптический вихрь выглядит как кольцо света с черным пятном в центре.

Оптические вихри могут быть созданы с помощью голограмм. В рассматриваемой работе команда разработала голограммы с использованием теории узлов, одной из теорий абстрактной математики.

Это новое исследование продемонстрировало прикладные возможности раздела математики, который ранее рассматривался как полностью абстрактный.

Проф. Майлс Пэджетт (Miles Padgett), который возглавлял исследование, сказал: «Разработка сложной голограммы, потребовавшаяся для демонстрации завязанного в узел света, показал наши возможности в области оптического управления, которые, без сомнения, смогут быть использованы в будущих лазерных устройствах».

Исследователи из Университета Пердью добились прогресса в разработке нового типа полевого транзистора, который использует ребристую структуру взамен общепринятого плоского дизайна, которая, возможно, позволит инженерам создать более быстрые и компактные цепи и компьютерные чипы.

Ребра изготавливаются не из кремния, а из материала, называемого арсенид индия-галлия. Транзисторы, названные finFET (от fin field effect transistor), разрабатываются многими лабораториями и рассматриваются как потенциальная замена обычным транзисторам.

В работе, которую возглавляет адъюнкт-профессор Пейде Йе (Peide Ye), исследователи впервые создали finFET с помощью технологии, называемой осаждение атомных слоев. Поскольку она широко используется в индустрии, новые finFET могут представить практическое решение для преодоления технологических пределов в изготовлении обычных транзисторов.

finFET могут позволить инженерам обойти проблему физических ограничений, которая грозит электронной индустрии, и продлить действие закона Мура. Вдобавок к меньшим размерам проводимость finFET в пять раз выше, чем у обычных кремниевых МОП-транзисторов. Это позволяет также изготавливать более быстрые процессоры.

Полевые транзисторы содержат важные компоненты, называемые затворами, с помощью которых переключается их состояние. В современных чипах длина затворов составляет около 45 нм. Полупроводниковая индустрия планирует уменьшить длину затвора до 22 нм в 2015 г. Однако большее уменьшение длины затвора и повышение тактовых частот для кремния весьма проблематично или даже невозможно. Арсенид индия-галлия рассматривается как один из тех перспективных материалов, которые могут заменить кремний.

Создание меньших транзисторов также требует поиска нового типа изолятора. При длине затвора менее 22 нм изолятор из двуокиси кремния допускает слишком большую утечку заряда. Одним из потенциальных решений проблемы утечки является замена двуокиси кремния материалами с более высокой диэлектрической постоянной, такими как двуокись гафния или окись алюминия. Команда исследователей из Пердью при создании своего транзистора использовала изолятор из такого материала. Исследователи впервые вырастили пленку двуокиси гафния толщиной один атомный слой на finFET, используя осаждение атомных слоев.

Физики из NIST построили улучшенную версию экспериментальных атомных часов, базирующихся на одном атоме алюминия, которые на сегодня являются самыми точными в мире. Они более чем в два раза точнее предыдущей модели, основанной на атоме ртути. Согласно проделанным измерениям, погрешность алюминиевых часов не превышает 1 с за 3,7 миллиардов лет.

Новые часы являются второй версией «квантовых логических часов». Это название связано с тем, что они заимствуют логическую обработку, используемую для атомов, хранящих данные в экспериментальных квантовых компьютерах.

Вдобавок к демонстрации того факта, что алюминий лучший хронометр, чем ртуть, последний результат подтверждает, что оптические часы в ряде аспектов захватывают лидерство, оттесняя цезиевые часы NIST-F1, являющихся гражданским стандартом времени в США, точность которых всего 1 с за 100 миллионов лет.

Вследствие того, что международное определение секунды как единицы времени базируется на цезиевых часах, цезий остается стандартом для официального хронометража.

Логические часы базируются на ионе алюминия, захваченном электрическими полями и колеблющимся с частотой ультрафиолетового света, которая в 100 тыс. раз выше, чем микроволновая частота, используемая в NIST-F1. Оптические часы, таким образом, делят время на меньшие отрезки и могут в один прекрасный день стать стандартом, более чем в сто раз точным, чем микроволновые часы.

Алюминий является одним из претендентов на будущий мировой стандарт единицы времени. Ученые из NIST работают над пятью различными типами экспериментальных оптических часов, каждые из которых базируются на разных атомах и имеют собственные преимущества. Создание NIST второй, независимой версии логических часов, доказывает, что они могут быть реплицированы. Это важно, поскольку любой будущий стандарт времени должен воспроизводиться во многих лабораториях.

Ученые из NIST оценили точность новые логические часы на ионе алюминия с помощью лазера, измеряя точную резонансную частоту, при которой ион переходит в состояние с большей энергией, тщательно просчитав все возможные отклонения, вызываемые движением иона.

Вопреки общераспространенному мнению, земная атмосфера и океаны не были образованы из паров в результате интенсивной вулканической деятельности на заре формирования нашей планеты. Фрэнсис Албареде (Francis Albarede) из Лаборатории науки о Земле университета Клода Бернарда в Лионе (Франция) предположил, что вода не была частью Земли, а возникла в результате турбулентности, вызванной в Солнечной системе гигантскими планетами. Покрытые льдом астероиды достигли Земли около сотни миллионов лет после образования планет. Таким образом вода может иметь внеземное происхождение и появилась позже в результате аккреции.

Согласно книгам, океан и атмосфера были образованы из вулканических газов, и внутренняя часть Земли является источником летучих элементов. Однако скальные породы земной мантии содержат очень малое количество воды (геохимики оценивают ее концентрацию в 0,02%). Это справедливо и для планет-сестер Земли, Венеры и Марса. Основной смысл гипотезы, предложенной Албареде, заключается в том, что в течение процесса образования Солнечной системы температура между Солнцем и орбитой Юпитера никогда не опускалась достаточно низко, чтобы летучие элементы были способны сконденсироваться в планетарное вещество. Поэтому появление воды на Земле соответствует поздним эпизодам планетарной аккреции.

Общепринято, что планеты земной группы формировались в течение нескольких миллионов лет путем агломерации астероидов (километровых размеров), затем протопланет (размером Марса). Вначале эти процессы проходили в области между Солнцем и поясом астероидов. Это пространство, насыщенное электромагнитным ветром молодого Солнца, было слишком горячим, чтобы вода и летучие элементы могли конденсироваться.

Основная доставка летучих элементов на нашу планету могла бы соответствовать явлению, которое произошло через несколько десятков миллионов лет после столкновения космических тел с Луной: это была «большая чистка» Солнечной системы, инициированная гигантскими планетами. Благодаря их очень сильной гравитации они послали получившиеся богатые льдом фрагменты во всех направлениях, включая и Землю. Проникнув в мантию через поверхность, вода могла затем сделать Землю более мягкой и уменьшить напряжение, при котором материалы разрушаются. Затем началось движение тектонических плит, и появились континенты, условие, вероятно, необходимое для появления жизни. Марс высох прежде чем вода смогла проникнуть вглубь планеты, что же касается Венеры, условия, которые там были перед сильным изменением ее поверхности 800 миллионов лет назад интенсивной вулканической деятельностью, до сих пор не известны.

Ко времени, когда поиски внеземной жизни активизировались, понимание, почему только Земля оказалась обитаемой, является ключевым вопросом.

Состязание во вселенной в скорости между двумя гамма-квантами, длившееся около 7,3 млрд лет, закончилось финишем в орбитальном космическом гамма-телескопе с разницей во времени менее 9/10 с. Одновременный финиш может разжечь среди физиков дебаты в области специальной теории относительности Эйнштейна, поскольку один из фотонов обладал энергией в миллион раз большей, чем другой.

В рамках теории Эйнштейна одновременный финиш не проблема. В соответствии с ней все формы электромагнитного излучения – гамма-лучи, радиоволны, инфракрасное излучение, видимый свет и рентгеновские лучи – путешествуют через космический вакуум с одинаковой скоростью независимо от энергии. Но в некоторых новых теориях тяготения пространство-время в масштабах в триллионы раз меньших, чем электрон, имеет «неоднородную пенистую структуру». Некоторые из этих моделей предсказывают, что такая пенистая структура может замедлять высокоэнергетические гамма-кванты в большей степени, чем низкоэнергетические. Эксперимент показал, что это не так – Эйнштейн выиграл этот раунд.

Даже в физике высоких энергий, где отклонение в минуту может привести к существенному пересмотру позиций, разброс в 9/10 с на временной дистанции 7 млрд лет столь мал, что разница, вероятно, обусловлена деталями излучения гамма-квантов и не может служить основанием для пересмотра идей Эйнштейна.

«Это измерение исключает новый подход к теории гравитации, который предсказывает сильную зависимость скорости фотона от энергии», - сказал Питер Майкельсон (Peter Michelson), профессор физики Стэнфордского университета.

Физики уже давно пытаются создать единую теорию поля, в которой были бы объединены все известные сегодня четыре фундаментальных взаимодействия: электромагнитное, сильное, слабое и гравитационное. Считается, что Стандартная модель, разработанная в конце 1970-х, хорошо объединяет три первых. Однако гравитация в ней не учитывается.

«Физики хотели бы заменить эйнштейновскую трактовку гравитации, сформулированную им в общей теории относительности, на что-то, что подчинялось бы какой-нибудь фундаментальной силе, - говорит Майкельсон. – Идей в этой области много, но мало способов их проверить».

Фотоны стартовали в своем пангалактическом марафоне после короткой гамма-вспышки, породившей излучение похожее на излучение двух столкнувшихся нейтронных звезд, самых плотных из известных объектов Вселенной.

Ученые из Института нанотехнологий при Университете г. Твенте (Нидерланды) и FOM Foundation (Дания) добились успеха в переносе спинового состояния электронов (по сути магнитной информации) прямо в полупроводник. Впервые это было достигнуто при комнатной температуре.

До недавнего времени обмен информацией между магнитным материалом и полупроводником был возможен только при очень низких температурах. Успешная демонстрация информационного обмена при комнатной температуре является значительным шагом в развитии альтернативной парадигмы для электроники. Основное преимущество этой новой спинтронной технологии состоит в снижении энергопотребления.

Чтобы достичь эффективного обмена информацией, исследователи поместили тонкий слой (менее 1 нм) окисла алюминия между магнитным материалом и полупроводником. В данном эксперименте толщина и качество материала являлось критическим. Информация переносилась электрическим током, который протекал через пластинку окисла алюминия, с управляемой ориентацией спинов электронов.

Важно, что данная методика применима к кремнию – самому распространенному материалу в полупроводниковой индустрии, для которого имеются развитые технологии. Ученые обнаружили, что спиновая информация может проникать в кремний на глубину до нескольких сотен нанометров. Этого достаточно для работы спинтронных компонентов. Следующим шагом планируется построить новые электронные компоненты и цепи и использовать их для обработки спиновой информации.

Исследования были выполнены под руководством Рона Янсена (Ron Jansen) из Института нанотехнологий.

Для изучения взаимодействия мощного излучения с веществом, включая быстрый розжиг, во всем мире разрабатывается новое поколение высокоэнергетических петаваттных лазеров. Быстрый розжиг – основанная на лазерах техника для нагрева и розжига дейтерия и трития до температуры синтеза в два этапа. На первом лазерный пучок испаряет таблетку топлива и сжимает его, а на втором – электроны, ускоренные лазерным импульсом, отдают свою энергию топливу, вызывая быстрый нагрев.

Лазер OMEGA EP (Extended Performance) в Лаборатории лазерной энергетики при Рочестерском университете является первым в новом поколении петаваттных устройств. Он генерирует энергию в несколько килоджоулей в пикосекундном импульсе.

В работе, которая проливает новый свет на методы создания источника электронов высокой энергии, требуемых для быстрого розжига, исследователи из Лаборатории использовали лазер OMEGA EP для получения мощного импульса тока, длящегося всего несколько триллионных долей секунды. В серии беспрецедентных экспериментов импульс лазера с энергией вплоть до 2,1 кДж направлялся на твердые мишени. Это в четыре раза выше, чем в предыдущих экспериментах.

Команда использовала электростатическую технику с мишенями из тонкой фольги в качестве источника горячих электронов. В этой технике используется медная фольга не толще человеческого волоса. Под действием излучения лазера фольга быстро заряжается, наподобие обкладки конденсатора. В течение пикосекунд большая часть ускоренных лазером электронов передает свою энергию материалу мишени. Взаимодействуя с материалом мишени, электроны порождают рентгеновские лучи высокой энергии. По энергии рентгеновских лучей определяется коэффициент конверсии энергии лазера в энергию электронов.

При использовании лазера OMEGA EP был продемонстрирован коэффициент конверсии 20% и выше. Эти измерения показали, какая минимальная часть энергии импульса расходуется на нагревание мишени – критического параметра для полномасштабного быстрого розжига.

Средняя энергия электронов определяется интенсивностью лазера. При слишком коротком импульсе электроны будут проходить через мишень, слабо взаимодействуя с ней, при слишком длинном – плотность мишени уменьшится, прежде чем произойдет розжиг. Эксперименты показали, что использование импульса длительностью 15 пс и энергии несколько килоджоулей позволяют сформулировать требования к лазерам для полномасштабного быстрого розжига реакции ядерного синтеза.

Почти 100 лет назад учеными были обнаружены первые следы космических лучей – субатомных частичек (в основном протонов), несущихся через пространство с околосветовыми скоростями. Возникал вопрос, какие силы природы могли бы ускорять частицы до таких скоростей? Новые данные, полученные на массиве телескопов VERITAS (Very Energetic Radiation Imaging Telescope Array System), показывают, что космические лучи, вероятнее всего, ускоряются взрывающимися звездами и звездным ветром.

VERITAS обнаружил новые факты для космических лучей, происходящих из галактики Messier 82 (M82), которая находится на расстоянии 12 млн световых лет от Земли в направлении созвездия Большая Медведица.

«Это открытие было предсказано почти 20 лет назад, но вплоть до недавнего времени не было инструмента достаточно чувствительного, чтобы это увидеть», - сказал Уистен Бенбоу (Wystan Benbow), астрофизик из Смитсонианской астрофизической обсерватории.

Наблюдения, сделанные с помощью VERITAS, поддержали давно имевшуюся теорию о том, что сверхновые и звездный ветер от массивных звезд являются основными ускорителями частиц в космических лучах. Галактики с высоким уровнем звездных образований, подобные М82, насчитывают большое количество сверхновых и массивных звезд. Если теория справедлива, тогда такие галактики должны содержать больше космических лучей, чем обычные. Данные VERITAS подтверждает это ожидание, указывая, что плотность космических лучей в М82 приблизительнов 500 раз выше, чем их средняя плотность в нашей Галактике, Млечном Пути. Открытие играет фундаментальную роль в понимании происхождения космических лучей.

VERITAS не мог непосредственно обнаружить космические лучи в М82, потому что они захватывались галактикой. Вместо этого велся поиск гамма-излучения, которое несло информацию о космических лучах. Когда космические лучи взаимодействуют с межзвездным газом и излучением внутри М82, они порождают гамма-излучение, которое покидает свою галактику и попадает в детекторы ученых.