На фоне поиска путей для передачи большего количества данных по сетям с ограниченной полосой пропускания, привлекает внимание явление скручивания световых лучей. Называемое оптическими вихрями или вихревыми пучками, они напоминают штопор.
Физики из Гарвардской школы технических и прикладных наук (SEAS) создали новое устройство, которое позволяет традиционному оптическому детектору, обычно измеряющему интенсивность света, ловить это вращение.
«Сложные оптические детекторы для вихревых пучков разрабатывались и раньше, но они были дорогостоящими и большими», - сказал проф. Федерико Капассо (Federico Capasso).
Напротив, в новом устройстве просто добавлен металлический трафарет к окну коммерчески доступного недорогого фотодетектора. Каждый трафарет разрабатывается с учетом специфики входящего вихревого пучка в соответствии с его орбитальным угловым моментом – количеством скручиваний на длину волны.
Чувствительные к скручиванию пучка новые детекторы могут эффективно определять разные типы вихревых пучков. Существующие телекоммуникационные системы максимизируют ширину полосы с помощью передачи одновременно нескольких сообщений, каждое на своей длине волны. Это известно как мультиплексирование с разделением по длине волны (WDM). Вихревые пучки могут добавить еще один уровень мультиплексирования и, таким образом, увеличить емкость этих систем.
«В последние годы исследователи пришли к выводу, что имеется предел скорости передачи данных около 100 Тб/с по одному оптоволокну для телекоммуникационных систем, которые используют WDM, - объяснил проф. Капассо. – В будущем эта емкость может быть существенно увеличена с помощью вихревых пучков, передаваемых по специальным многожильным или многомодовым волокнам. Для передающих систем, основанных на этом «мультиплексирование с пространственным разделением», специальные детекторы, способные выполнять сортировку вихревых пучков, будут очень полезны».
Новый детектор способен отличить один тип вихревого пучка от другого благодаря точному трафарету наномасштабных размеров. Когда вихревой пучок с соответствующим числом закручиваний на длину волны попадает на покрытую золотом поверхность детектора, он падает на голографический интерференционный паттерн, который выгравирован на золоте. Этот наномасштабный трафарет позволяет свету возбудить поверхностную плазмонную волну. Световая компонента этой волны попадает на серию перфорированных в золоте отверстий и затем на расположенный ниже фотодетектор.
Если падающий свет не согласуется с интерференционной картиной, пучок плазмонов не попадает в фокус или собирается и блокируется от попадания на детектор.
Группа проф. Капассо продемонстрировала этот процесс для вихревых пучков с орбитальным угловым моментом -1, 0 и 1.
Иллюстрация (не в масштабе) симулирует процесс, с помощью которого входящий сложный пучок может быть идентифицирован и передан на фотодетектор
Почти все компьютерные чипы используют два типа транзисторов: р-тип с положительными носителями тока и n-тип – с отрицательными. Улучшение производительности чипа в целом требует параллельных улучшений обоих типов.
Исследователи из МТИ представили транзистор р-типа с наивысшей подвижностью носителей, когда-либо измеренной. Устройство в два раза быстрее, чем предыдущие экспериментальные транзисторы р-типа и почти в четыре раза быстрее, чем лучшие промышленные варианты.
Подобно другим экспериментальным высокопроизводительным транзисторам новое устройство основано не на кремнии, а, в данном случае, на германии. Сплавы германия уже находят применение в промышленных чипах, так что германиевые транзисторы могли бы легче интегрироваться с существующими технологическими процессами, чем сделанные из более экзотических материалов.
Новый транзистор обладает особенностью, которая называется тризатворной (trigate) конструкцией. Она могла бы решить некоторые проблемы, присущие компьютерным схемам крайне малых размеров. Во всех этих смыслах новое устройство предлагает заманчивую перспективу индустрии микросхем.
Проф. Джуди Хойт (Judy Hoyt) и ее группа добились рекордной подвижности дырок с помощью «напряженного» германия, принудив его атомы располагаться ближе друг к другу, чем в обычном кристалле. Чтобы сделать это, они вырастили германий на поверхности нескольких разных слоев кремния и кремниево-германиевого композита. Атомы германия, естественно, пытаются располагаться в линию с атомами нижележащих слоев, которые сжимают их межатомные расстояния.
Другим важным элементом нового транзистора является тризатворный дизайн. В традиционных транзисторах затвор располагается сверху канала, по которому течет ток. По мере уменьшения размеров транзисторов, должны также уменьшаться и размеры затворов. Однако при уменьшении размеров затворы становятся слишком ненадежными.
При тризатворном дизайне каналы располагаются над поверхностью чипа. Чтобы увеличить их площадь поверхности, затвор оборачивается вокруг трех открытых сторон – отсюда и происходит термин "тризатвор".
На микрографии экспериментального транзистора синим цветом указаны области напряжения, где атомы германия располагаются ближе обычного
Свет не может распространяться в неупорядоченной среде, если между двумя дефектами расстояние менее длины волны. Физики из университетов Цюриха и Констанцы впервые получили прямое экспериментальное подтверждение теории нобелевского лауреата Филипа Андерсона (Philip W. Anderson), использовав диффузию света в мутной среде.
Свет не может распространяться прямолинейно в мутной среде, подобной молоку, потому что множество капелек жира отклоняют свет, как дефекты. Если беспорядок – в данном случае, концентрация дефектов – превышает определенный уровень, волны вообще не способны распространяться в мутной среде. Филип Андерсон был первым, кто описал этот переход к локализованным волнам в 1958 г., который, поэтому, и получил название андерсоновская локализация. Однако вплоть до недавнего времени она не наблюдалась. Впервые физики из университетов Цюриха и Констанцы продемонстрировали андерсоновскую локализацию света в прямом эксперименте.
В своей работе команда исследовала диффузию света в очень сильно рассеивающей среде. «Для того чтобы получить диффузию света и сделать андерсоновскую локализацию видимой, нужно было делать фотографии с интервалом менее наносекунды», - сказал Кристоф Аегертер (Christof Aegerter), поясняя технические трудности эксперимента. Базируясь на этих снимках с высоким разрешением, исследователи показали, что в случае андерсоновской локализации свет не способен распространяться в среде после примерно четырех наносекунд.
Вплоть до недавнего времени было очень трудно вычислить определенные характеристики локализованных состояний, таких как насколько большой является критическая концентрация дефектов. Благодаря полученным экспериментальным данным теория обрела новый стимул и возможность дальнейшего уточнения.
Андерсоновская локализация волн является общим явлением, которое встречается во всех волновых процессах с сильным рассеянием, и важна для практики: среди прочих других вещей, она описывает переход между проводником и изолятором.
Диффузия света в неупорядоченной мутной среде, зафиксированная с интервалами 1 нс. После приблизительно 4 нс, свет не может распространяться в среде дальше
Хотя сегодня магниты широко распространены, на ранних стадиях Вселенная содержала только немагнитные элементы. Как появились магнитные силы, было исследовано проф. Райнхардом Шликайзером (Reinhard Schlickeiser) из Института теоретической физики при Рурском университете (Ruhr-Universität Bochum). Он описал новый механизм намагничивания Вселенной, происходившее даже раньше, чем образовались первые звезды.
Перед образованием первых звезд светящаяся материя содержала только протоны, электроны, ядра гелия и лития, которые образовались после Большого взрыва. «Все тяжелые металлы, например железо, могли, согласно современным представлениям, образоваться только внутри звезд, — сказал проф. Шликайзер. — В ранней Вселенной не существовало постоянных магнитов».
Однако параметры, описывающие состояние газа, не являются постоянными. Плотность и давление, а также электрические и магнитные поля флуктуируют вокруг определенных средних значений. В результате этих флуктуаций в определенных точках плазмы формируются слабые магнитные поля. Насколько сильными были эти поля в полностью ионизированной плазме, и было вычислено проф. Шликайзером для случая плотностей и температур, которые существовали на ранней стадии Вселенной.
Вычисления показали, что флуктуации магнитных полей зависят от их локализации в плазме, а не от времени, в отличие от, например, электромагнитных волн, флуктуация которых зависит от времени. Повсюду в светящемся газе ранней Вселенной имелось магнитное поле с магнитной индукцией около 10 -20 Т. Для сравнения, магнитное поле Земли имеет индукцию 3∙10 -6 Т. Таким образом, магнитное поле в плазме было очень слабым, но занимало почти 100% ее объема.
Звездный ветер, или взрывы суперновых создали ударные волны, которые сжали случайные магнитные поля в некоторых областях. Таким способом поля усилились и выровнялись в больших объемах. В конечном счете магнитные силы стали настолько большими, что, в свою очередь, начали влиять на ударные волны.
«Это объясняет баланс, часто наблюдаемый между магнитными силами и давлением горячего газа в космических объектах», — сказал проф. Шликайзер. Вычисления показали, что все полностью ионизированные газы во Вселенной были слабо намагничены. Магнитные поля поэтому существовали даже прежде, чем появились первые звезды.
Теоретики описали новый механизм намагничения Вселенной прежде появления первых звезд
Возможности создания новых поколений электронных устройств напрямую зависит от возможностей миниатюризации транзисторов. Инженеры справляются с этой задачей на протяжении десятков лет, и принцип, на основании которого индустрия могла это делать, – закон Мура – до сих пор не вызывает сомнений благодаря исследованиям, подобным тем, которые проводит Чуаньбин Тан (Chuanbing Tang) в Университете Южной Каролины.
Д-р Тан конструирует миниатюрные структуры методом «снизу вверх», в противоположность традиционному «сверху вниз». Последний заключается в том, что гладкая поверхность изначального материала, например, пластина кремния, вытравливается с помощью микро- или нанолитографии для получения паттерна. Этот метод может включать предварительно изготовленные шаблоны, такие как фотомаски. Но этот подход становится все более проблематичным, поскольку дальнейшее уменьшение технологических допусков до наношкалы становится все более дорогостоящим.
Будучи химиком, д-р Тан использует метод «снизу вверх»: он работает с индивидуальными молекулами, которые располагает на поверхности и заставляет их путем самосборки формировать необходимые паттерны. Один из способов добиться этого включает блоки сополимеров, в которых цепочка полимеров формируется из двух или более секций разных полимеризованных мономеров.
Если разные секции правильно сконструированы, блоки будут самоупорядочиваться при помещении их на поверхность, и агрегирование может происходить таким образом, чтобы создавался необходимый паттерн в масштабах наношкалы без использования масок. Двухблочный сополимер из окиси этилена и полистирола, например, использовался для создания высокоупорядоченных массивов наномасштабных перпендикулярных цилиндров. Термическое воздействие на твердый раствор этих полимеров на поверхности создает поле направлений на поверхности, которое может улучшить процесс получения паттерна и создать почти бездефектный массив.
Команда создала наночастицы чистого кристаллического окисла железа без управления размером и промежутками на кремниевых пластинах посредством инкорпорирования доли ферроцена в трехблочный сополимер.
Инкорпорирование металлов в наномасштабный дизайн является крайне важным для изготовления электронных устройств, и метод Тана является шагом вперед в этой области. Так как ферроцен имеет ковалентную связь с блоком сополимера, нет необходимости комплексирования для добавления содержащего металл компаунда на поверхность – обременительного требования большинства предыдущих методов.
Эта техника является многообещающим дополнением к имеющимся инструментам, позволяющим уменьшать размеры электронных компонентов.
«Индустрия не хочет отказываться от метода «сверху вниз», но планирует использовать предложенный нами метод вместе с существующими», - сказал Тан.
Наноточки окисла железа расположились в высокоупорядоченный паттерн без использования масок. Средний диаметр частиц составляет 25 нм с регулярным шагом 45 нм
Российские физики Алекс Гуревич и Анатолий Караштин сообщили, что они нашли больше экспериментальных данных, поддерживающих их идею, что молнии вызываются космическими лучами. Гипотеза была впервые предложена Гуревичем в 1992 г. и до сих пор обсуждается.
Никто, в действительности, не знает, каковы причины возникновения молний. Господствует взгляд, что они являются результатом столкновений между кристалликами льда в облаках и градинами. Но поскольку облака и молнии, которые они генерируют, непредсказуемы, никто не может доказать эту теорию. Другая теория, предложенная Гуревичем 20 лет назад, говорит, что молния образуется в результате столкновений между космическими лучами и водяными капельками в грозовых облаках. Теперь он и его коллега объявили, что получили экспериментальные данные, поддерживающие их теорию.
Гуревич предположил, что космические лучи, попадая в грозовые облака, ионизируют в них воздух, что приводит к появлению множества свободных электронов. Электрическое поле, которое уже присутствует в облаке, ускоряет электроны до более высоких энергий. Когда эти электроны сталкиваются с атомами воды, они выбивают дополнительные электроны, что приводит к лавинному эффекту и разряду, который мы видим как удар молнии.
Как и другие теории о происхождении молний, идея Гуревича не доказана. Но он не сидит сложа руки. В своей новой попытке он вместе с Караштиным измеряет и анализирует радиоволны в грозовых облаках во время образования молний. Идея заключается в том, что если молнии вызываются космическими лучами, должны генерироваться радиоволны.
Ученые установили оборудование для мониторинга грозовых облаков в России и Казахстане, записав радиоволны, излученные в 3800 случаев ударов молний. При анализе данных они обнаружили сотни и даже тысячи коротких радиоимпульсов, излученных в начальной стадии формирования разряда. Данные подтвердили модель Гуревича. Правда, возникла одна трудность – количество энергии, доставляемое космическими лучами согласно модели, в реальном мире часто оказывалось недостаточным, чтобы вызвать удары молний в большинстве гроз.
Гуревич и Караштин говорят, что разница может быть объяснена дополнительной энергией в системе, которую вносят свободные электроны, проходя вблизи гидрометеоров (градин или капель воды). Когда это случается, происходят очень маленькие разряды, увеличивая полный заряд. Все вместе поставляет достаточно энергии, чтобы вызвать лавину, которая в результате ведет к образованию молнии.
Семь лет назад инженеры из Университета Дьюка продемонстрировали первую работающую шапку-невидимку в сложном лабораторном эксперименте. Теперь, как кажется, создание несложной шапки-невидимки стало намного проще.
«Я бы поспорил, что практически любой, кто в состоянии потратить пару тысяч долларов на не-индустриальный 3D-принтер, может сделать пластиковую шапку-невидимку», - сказал Ярослав Уржумов, ассистент профессора из Школы Пратта при Университете Дьюка.
Трехмерная печать, технически известная как стереолитографическое изготовление, становится крайне популярной не только в индустрии, но и для личных нужд. Она включает движущееся сопло, управляемое компьютером, которое укладывает тонкие слои материала, обычно полимерной пластмассы, вплоть до получения трехмерного объекта.
Уржумов говорит, что производство шапок-невидимок таким способом является недорогим и легким. Он вместе с сотрудниками изготовил такое небольшое устройство, похожее на «летающую тарелку», которой обычно развлекаются дети. Правда, она перфорирована и скорее похожа на швейцарский сыр. Положение, размер и форма отверстий определялась алгоритмом с таким расчетом, чтобы отклонять микроволновые пучки. Процесс изготовления занимает от трех до семи часов.
Подобно устройству, сделанному в 2006 г., новая версия отклоняет микроволновые пучки, но исследователи уверены, что в не таком далеком будущем устройство сможет работать в диапазоне более коротких длин волн, включая видимый свет.
«Мы верим, что этот подход приведет к оптической шапке-невидимке для диапазона видимого и инфракрасного излучения, - сказал Уржумов. – И доступны нанотехнологии, которые позволят делать эти устройства из прозрачных полимеров или стекла. Свойства прозрачных пластмасс и стекла не отличаются от свойств нашего полимера в микроволновом диапазоне».
Дископодобное устройство имеет открытую область в центре, где исследователи размещали непрозрачный объект. Когда микроволновые пучки падали на плоскость диска, казалось, что объекта там нет.
«Конструкция диска удаляет «тень», которую может бросать объект, и подавляет рассеяние от объекта, - объяснил Уржумов. – Эффективно, яркий хорошо отражающий объект, например металлический цилиндр, становится невидимым. Микроволны точно направляются тонкой диэлектрической оболочкой и переизлучаются в свободное пространство на теневой стороне диска».
Уржумов сказал, что теоретически техника может быть использована для создания намного больших устройств.
В результате десятилетней работы робопчелы (RoboBees) научились вертикальному взлету, зависанию и выполнению команд управления.
Летом прошлого года ранним утром в Гарвардской лаборатории робототехники взлетело «насекомое». Размером в половину бумажной скрепки и весом менее 0,1 г оно подпрыгнуло на несколько дюймов, зависло на момент в воздухе, маша крыльями, и затем быстро полетело по установленному маршруту.
Демонстрация первого управляемого полета робота размером с насекомое является кульминацией более чем десятилетней работы исследователей из Гарвардской школы техники и прикладных наук (SEAS) и Института биоинженерии Висса при Гарвардском университете.
Маленькое устройство с субмиллиметровой анатомией и парой очень тонких крылышек с частотой взмахов 120 раз в секунду, что практически незаметно для глаза, не только является достижением в микроконструировании и системах управления. Оно в течение ряда лет служило стимулом для инноваций в этой области для многих исследователей в Гарварде.
«Мы должны были буквально все начинать с нуля, - объяснил проф. Роберт Вуд (Robert J. Wood). – Мы получали одну работающую компоненту, но когда принимались за следующую, возникало пять новых проблем. Это была ускользающая цель».
Маленький робот машет крыльями с помощью пьезоэлектрического механизма – керамических полосок, которые расширяются и сжимаются под действием электрического поля. Тонкие шарниры из пластика, встроенные в каркас тела из углеволокна, служат сочленениями, и точная система управления командует вращательными движениями в роботе с машущим крылом, при этом каждое крыло управляется независимо в режиме реального времени.
Прогресс в построении роботов-насекомых стал возможен также благодаря оригинальной технике производства, разработанной командой проф. Вуда в 2011 г. Листы разных вырезанных лазером материалов располагаются слоями, образуя тонкую пластинку, которая складывается подобно детской книжке-гармошке в законченную электромеханическую структуру.
«Теперь мы можем быстро строить надежные прототипы, которые позволяют нам быть более агрессивными при тестировании», - сказал Кевин Ма (Kevin Y. Ma), аспирант из SEAS.
Робопчелы могут быть использованы для мониторинга окружающей среды, в поисково-спасательных операциях, помогать опылению злаков. В то же время материалы, техника производства и компоненты могут найти применение во многих других областях.
Прототип все еще соединяется с источником питания очень тонким кабелем. Для независимого полета нужно разработать топливные элементы с высокой энергетической плотностью. Управление также пока проводное и выполняется с помощью отдельного компьютера, однако команда под руководством Гу-Йонь Вэя (Gu-Yeon Wei) и Дэвида Брукса (David Brooks) работают над вычислительным блоком, который может быть встроен в корпус робота.
Группа физиков, основную часть которой составляли сотрудники Висконсинского университета в Мэдисоне, выполнили точное измерение неуловимых почти безмассовых частиц и получили решающую подсказку, почему во Вселенной доминирует материя, а не антиматерия.
Антинейтрино были детектированы в эксперименте в Дайя Бей (Daya Bay), находящегося вблизи атомных реакторов в 55 км севернее Гонконга.
«В первые мгновенья после Большого взрыва образовался «суп» из частиц и античастиц, но затем каким-то образом наступил дисбаланс, - сказал проф. Карстен Хигер (Karsten Heeger). – Все проведенные исследования не обнаружили достаточной разницы между частицами и античастицами, чтобы объяснить доминирование материи над антиматерией».
Но нейтрино, которые чрезвычайно многочисленны и почти не имеют массы, могут иметь нужные свойства и могут даже быть своими собственными античастицами. И это является причиной, почему физики рассматривают их как последнюю надежду объяснить отсутствие антиматерии во Вселенной.
Реакторы являются обильными источниками антинейтрино, и измерения их изменений за короткое время пролета частиц от реактора до детекторов дает основу для вычисления величины, называемой углом смешивания, вероятности преобразования нейтрино одного сорта в другой (например, электронного в мюонное или в антинейтрино).
Эксперимент в Дайя Бей показал неожиданно большой угол. Сообщество исследователей нейтрино долгое время ожидали измерения этого параметра, который будет использован для планирования экспериментов в следующее десятилетие и далее.
Бассейн, содержащий четыре антинейтринных детектора, заполняется сверхчистой водой
Забудьте твердое тело, жидкость и газ: фактически, имеется более чем 500 фаз материи. Член Perimeter Faculty Сяо-Ган Вень (Xiao-Gang Wen) все реклассифицировал.
Физика конденсированного состояния – направление, изучающее и описывающее большинство из этих фаз, – традиционно классифицировала фазы на основе того, как их фундаментальные строительные блоки, обычно атомы, располагаются. Ключом при этом является симметрия.
Классификация фаз материи путем описания их симметрий и где и как эти симметрии нарушаются, известна как парадигма Ландау. Теория Ландау является мощным инструментом для открытий новых фаз и для объяснения поведения известных. Физики были так довольны теорией Ландау, что долгое время верили, что все фазы материи могут быть описаны с помощью симметрий.
Начиная с 1980-х исследователи конденсированных состояний, включая Сяо-Ган Веня, изучали новые квантовые системы, в которых существовали несколько основных состояний с одинаковой симметрией. Д-р Вень указал, что эти новые состояния имеют новый тип порядка – топологический порядок.
Топологический порядок является квантовым явлением: он не относится к симметрии основного состояния, а, скорее, к глобальным свойствам волновой функции основного состояния. Поэтому, он выходит за пределы парадигмы Ландау, которая базируется на принципах классической физики.
Топологический порядок является более общим пониманием квантовых фаз и переходов между ними. В новой системе взглядов фазы материи описывались не симметрией основного состояния, а квантовым зацеплением. Картина таких квантовых эффектов в отличие от картины расположения атомов не могла быть описана на основе симметрий.
Более общее описание материи, разработанное д-ром Венем с сотрудниками, было хорошим, однако все еще имелось несколько фаз, к которым оно не подходило. Конкретнее, имелся набор зацепленных фаз с малым радиусом взаимодействия, для которых симметрия не нарушалась, так называемые топологические фазы с сохраняющейся симметрией. Примеры таких фаз включали некоторые топологические полупроводники и топологические изоляторы, вызывающие большой интерес, поскольку являются многообещающими для использования в появляющемся первом поколении квантовоэлектронных устройств.
В статье, опубликованной в Science, Вень с сотрудниками представил новую систему, которая может успешно классифицировать эти фазы с защищенной симметрией.
Используя аппарат современной математики – теорию когомологических групп и теорию суперкогомологических групп – исследователи сконструировали и классифицировали симметрично-защищенные фазы в пространстве произвольного числа измерений и для любых симметрий. Их новая система классификации обеспечит понимание этих фаз материи, что может, в свою очередь, улучшить наши возможности в разработке состояний материи для использования в сверхпроводниках или квантовых компьютерах.
Художественное изображение струнной сети света и электронов. Сеть струн является теоретическим примером топологически упорядоченной материи
