Внутри оптического чипа свет распространяется по волноводам, сделанным из кремния. Свет из оптоволокна, например, проходит через структуру оптических каналов с разветвителями и соединителями. Однако кремний пассивно проводит свет с некоторыми потерями. Поэтому необходимо сделать следующий шаг – усилить сигнал или хотя бы встроить источник света в чип. Другие типы полупроводников, подобные арсениду галлия, такими особенностями могут обладать. Но материалы с примесью эрбия также хорошо усиливают свет.

Вплоть до настоящего времени не существовало чипов, которые бы объединяли кремний и материал с примесью эрбия. Аспирантка Laura Agazzi из University of Twente (Нидерланды) впервые продемонстрировала работающий чип. Он был способен усиливать световые сигналы со скоростью вплоть до 170 Гб/с. Для инфракрасного света с длиной волны 1533 нм коэффициент усиления составил 7,2 дБ.

Хотя это всего лишь первый прототип, однако результаты разработки очень многообещающие. Одним из них может быть лазер с очень узкой шириной линии – 1,7 кГц. «Для любого приложения требующего излучения или усиления света, объединение этих материалов будет очень полезным. Это не ограничивается только телекоммуникациями. К примеру, эти чипы могут использоваться как датчики для отслеживания очень малых частиц», - отметила Agazzi.

Чтобы понять механизмы, которые отрицательно влияют на усиление, Laura Agazzi исследовала оптические свойства окиси алюминия с примесью эрбия. Одно из них называется передача энергии с повышением частоты (energy-transfer up conversion, ETU), который препятствует хорошему функционированию. "Если вам необходимо большое усиление, и вы добавляете много ионов эрбия в материал, это может вызвать более высокую ETU. Есть возможности адаптировать исходный материал, чтобы снизить взаимодействие ионов. Построенная модель позволяет лучше увидеть эти процессы и другие механизмы, которые ухудшают усиление", - объяснила Agazzi .

Изображение чипа со встроенным кремниевым оптическим волноводом и окисью алюминия с примесью эрбия

Команда исследователей, возглавляемая австралийскими инженерами, создала первый работающий кубит на одном атоме кремния, открыв дорогу к построению квантовых компьютеров.

«Мы впервые продемонстрировали возможность манипулировать данными с помощью спина, построив кубит, основной блок квантовых компьютеров, - сказал проф. Андрю Дзурак (Andrew Dzurak) из Университета Нового Южного Уэльса (Австралия). – Это реальный шаг вперед на пути создания кремниевых квантовых компьютеров, базирующихся на одиночных атомах».

Данная работа основана на исследовании, выполненном в 2010 г., в котором той же группой была продемонстрирована возможность считывать состояние спина электрона. Открытие, как записать состояние спина, завершило двухстадийный процесс операции чтения-записи.

Результат был достигнут с помощью микроволнового поля, которое позволило получить беспрецедентный контроль над электроном, связанным с одним атомом фосфора, который был имплантирован рядом со специально разработанным кремниевым транзистором.

Как отметил д-р Андреа Морелло (Andrea Morello), результат является квантовым эквивалентом ввода числа с клавиатуры. Ранее подобное не демонстрировалось на кремнии, хорошо изученном материале. «Наша технология является точно такой же, как и в бесчисленных современных электронных устройствах», - подчеркнул он.

Следующая цель команды – построение пары кубитов для создания логического вентиля, базового блока квантового компьютера.

Художественное изображение атома фосфора (красная сфера, окруженная электронным облаком, со стрелкой, указывающей направление спина электрона), объединенного с кремниевым одноэлектронным транзистором. Микроволновый импульс (синий) используется для «записи» бита на спин электрона

Когда огромный метеорит столкнулся с Землей около 2,5 млн. лет назад и упал в южную часть Тихого океана, он не только мог породить огромное цунами, но также мог погрузить мир в ледниковый период, как утверждает новое исследование.

Команда австралийских исследователей говорит, что поскольку астероид Элтанин (Eltanin), размер которого был около 2 км в поперечнике, рухнул в глубоководное место, большинство ученых неадекватно рассмотрели его способности непосредственного катастрофического влияния на береговую линию Тихого океана или возможности дестабилизировать всю планетную климатическую систему.

«Известно только о его глубоководном влиянии на планету, затем он был забыт, поскольку не было возможности исследовать гигантский кратер, как это было бы, если астероид упал бы на сушу, - сказал проф. Джеймс Гофф (James Goff) из Австралийского исследовательского центра по изучению тихоокеанских цунами. – Но примем во внимание, что мы говорим о теле размером в небольшую гору, которое на очень большой скорости врезалась в глубоководную часть океана между Чили и Антарктидой. В отличие от столкновения с сушей, когда энергия поглощается локально, в данном случае должны были бы возникнуть волны высотой сотни метров. Моделирование показывает, что последующее мегацунами могло быть невообразимо большим, охватывать огромные площади Тихого океана и проникать далеко вглубь суши. Но могло также быть выброшено в стратосферу огромное количество водяного пара, серы и пыли. Цунами само по себе могло быть опустошительным, но все выброшенное в высокие слои атмосферы могло ослабить солнечное излучение и значительно понизить температуру поверхности. Земля уже была в фазе постепенного охлаждения, так что этого события могло быть достаточно, чтобы ускорить и углубить процесс и дать старт ледниковому периоду».

В статье отмечается, что геологи и климатологи интерпретируют геологические осаждения в Чили, Антарктике, Австралии и еще в некоторых местах как доказательство климатических изменений, которые происходили в начале четвертичного периода. Альтернативная интерпретация состоит в том, что некоторые или все эти осаждения могли быть результатом мегацунами.

Наука о вычислительной сложности, в частности, преследует цель решить задачу коммивояжера, когда время, необходимое для получения оптимального решения, является жизненно важным для практических задач, возникающих сегодня, таких как управление воздушным движением или доставка свежих продуктов. Д-р Владимир Дейнеко из бизнес-школы Уорика (Warwick Business School, Coventry, UK) с коллегами решил специальный случай проблемы 30-летней давности.

Задача коммивояжера была сформулирована примерно 150 лет назад. Она заключалась в отыскании кратчайшего маршрута, при котором коммивояжер мог бы посетить всех своих заказчиков по одному разу и финишировать на старте. В XXI веке аналогичная проблема возникает в многочисленных случаях, к примеру, при доставке свежих продуктов в супермаркеты, поставке компонентов на производственные конвейеры и линии, управлении воздушным движением и даже при расшифровке ДНК. Основу для решения этих задач образуют сложные компьютерные программы оптимизации. Время, требуемое для получения оптимального решения, является крайне важным с точки зрения их практического применения.

Теоретические основы проблем этого типа изучает теория сложности вычислений. И задача коммивояжера имеет большое значение для этого направления знаний. Даже небольшое продвижение вперед в понимании природы этой проблемы представляет интерес для научного сообщества.

Д-р Дейнеко совместно с Eranda Cela (University of Technology Graz, Austria) и Gerhard Woeginger (Eindhoven University, the Netherlands) решил специальный случай задачи коммивояжера, или открытую проблему, впервые сформулированную 30 лет назад.

Он прокомментировал исследование следующим образом: «Задача коммивояжера служит в качестве тестовой для всех новых и существенных подходов к решению оптимизационных задач. Она принадлежит к множеству задач класса NP, которые недетерминированная машина Тьюринга в состоянии решить за полиномиальное количество времени. Очевидно, имеются некоторые специальные случаи, когда задача коммивояжера может быть эффективно решена. Простейший возможный случай, когда города расположены на прямой линии и расстояние между ними также измеряется по прямой. Вероятно, следующий наиболее простой случай, когда города расположены на двух перпендикулярных линиях и расстояния между ним также измеряются по прямой. «Вопреки очевидной простоте, этот специальный случай проблемы обсуждается в научном сообществе уже около 30 лет. Вплоть до появления нашей работы не было известно, существует ли алгоритм, который гарантирует нахождение оптимального решения для какого-нибудь случая этой проблемы в пределах разумного времени. Теперь мы доказали, что этот случай может быть легко решен за число шагов, пропорциональное квадрату количества городов».

Более быстрые системы хранения и оптической обработки в наномасштабных устройствах шаг за шагом продвигаются к реализации. Бистабильные устройства микрометрических размеров могли бы открыть путь к компактным оптическим переключателям и элементам памяти.

Однако в бистабильных системах, сконструированных к настоящему времени, переключение между состояниями занимает слишком много времени, чтобы сделать их практическими. Теперь благодаря недавнему наблюдению бистабильного состояния в массиве колец микрометрических размеров создание быстрых оптических переключателей в инновационных фотонных устройствах стало более реальным.

Ефен Ю (Yefeng Yu) из A*STAR Data Storage Institute с сотрудниками из Сингапура и Франции наблюдали бистабильное состояние в резонаторе, состоящем из двух кремниевых колец шириной 60 мкм, в которые они могли направлять лазерный луч с длиной волны, соответствующей геометрии колец. Один сегмент каждого кольца висел над щелью, и эти свободно висящие дуги слегка деформировались под действием оптических сил, когда свет проходил через кольцо, и изменяли эффективный коэффициент преломления системы. В результате этого взаимодействия между оптическими и механическими силами наблюдалось стабильное состояние для двух длин волн, а не для одной, как ожидалось. Изменяя длину волны входящего света, исследователи могли легко переключаться между этими двумя состояниями.

«Впервые оптическое бистабильное состояние было получено посредством оптических сил, действующих на механическое движение, - сказал д-р Ю. – Подобные явления обычно достигаются с помощью термических эффектов». Однако под действием тепла время переключения между двумя стабильными состояниями относительно большое, порядка миллисекунд. Оптические эффекты позволяют делать это намного быстрее.

«Время переключения в нашей системе сейчас порядка микросекунд, однако есть возможности его уменьшить за счет оптимизации конструкции», - пояснил д-р Ю.

Это тысячекратное увеличение скорости переключения должно способствовать практическому применению. К примеру, бистабильное состояние может быть использовано для кодирования данных в компьютерах или для построения оптических логических вентилей для обработки данных.

Зондовые устройства хранения (probe storage devices) читают и записывают данные посредством нанометок на поверхности, формируемых с помощью физического контакта. Однажды технология может расширить пределы плотности хранения данных традиционных магнитных и оптических устройств, но современные зонды имеют короткий срок жизни вследствие механического износа.

Команда исследователей из корпорации Intel разработала долговечное зондовое устройство хранения со сверхвысокой плотностью данных, покрыв кончики зондов тонкой металлической пленкой.

Устройство содержит массив из 5 тыс. сверхострых зондов, которые подсоединены к электронным цепям на чипе. Зонды записывают биты размером несколько нанометров, посылая короткие электрические импульсы на сегнетоэлектрическую пленку, материал, который приобретает постоянную электрическую поляризацию с помощью прикладываемого электрического поля. Высокоскоростной доступ к данным требует, чтобы зонды скользили быстро и часто по пленке. Чтобы предотвратить износ кончиков, исследователи осадили на них тонкую металлическую пленку диборида гафния (HfB2).

Металлическая пленка уменьшила износ и позволила кончикам зондов сохранить плотность чтения-записи на дистанции более 8 км, существенно повысив время жизни устройства. Плотность данных превышала 1 Тб на кв. дюйм. Работа является важным шагом навстречу коммерциализации этой технологии, которая позволит обеспечить емкость, превышающую емкости жестких и твердотельных дисков.

Трехмерная схема сверхплотного зондового устройства

Международная команда, возглавляемая физиками из Торонтского университета, разработала простую новую технику, которая позволяет им с помощью скотча вызывать высокотемпературную сверхпроводимость в специальных полупроводниках (далее, полу-проводниках). Метод прокладывает путь для инновационных устройств, которые могли бы использоваться в квантовых вычислениях и для повышения энергоэффективности.

«Кто мог себе представить, что простое склеивание двух вещей может дать совершенно новый эффект», - сказал руководитель группы Кен Барч (Ken Burch).

Высокотемпературным считается сверхпроводник, который приобретает это свойство при температуре жидкого азота. Только определенные компаунды из железа, меди и кислорода, или купраты, демонстрируют высокотемпературную проводимость. Считают, что купраты не могут инкорпорироваться в кремний, и поскольку их практическое применение крайне ограничено, то их используют для изучения новых эффектов, которые они могут вызывать. Например, наблюдение эффекта близости, при котором сверхпроводимость в одном материале вызывает сверхпроводимость в других материалах.

«В типичном случае контакты между полу-проводниками и сверхпроводниками создаются с помощью сложных процедур выращивания материала и изготовления устройств в масштабах меньших, чем человеческий волос, - объяснил д-р Барч. – Однако купраты имеют совершенно отличную структуру и сложный химический состав, что делает невозможным их соединение с обычным полупроводником».

Поэтому команда использовала двухсторонний скотч и предметные стекла, чтобы разместить высокотемпературный сверхпроводник в непосредственной близости к специальному типу полу-проводника, известному как топологический изолятор. Топологические изоляторы привлекли внимание ученых во всем мире благодаря своим необычным свойствам: внутренняя часть ведет себя как полупроводник, тогда как поверхность демонстрирует свойства металла.

В результате впервые в физике в этом полу-проводнике была индуцирована сверхпроводимость.

Проф. Кен Барч возле экспериментальной установки с клейкой лентой в руках

Физики из США и Германии открыли еще одно неожиданное свойство чудо-материала графена – он демонстрирует дробный квантовый эффект Холла (FQHE), который отличен от наблюдаемого в традиционных материалах. Открытие является важным для изучения корреляции между релятивистскими частицами и может даже помочь в разработке квантовых компьютеров в будущем.

FQHE встречается, когда заряженные частицы, к примеру электроны, ограничены двумерной плоскостью и подвергаются воздействию перпендикулярного магнитного поля. Если ток течет в направлении оси Х, то в направлении оси Y возникает напряжение. При очень низких температурах это напряжение квантуется с отчетливым шагом.

FQHE отличается от хорошо известного целочисленного квантового эффекта Холла и является результатом сильных взаимодействий между электронами материала. Эти взаимодействия «порождают» квазичастицы с дробным зарядом. Такие квазичастицы подчиняются так называемой дробной статистике, особенности, которая может оказаться важной для разработки квантовых компьютеров. Вдобавок к FQHE это сильное взаимодействие часто приводит к важным коллективным явлениям, таким как сверхпроводимость, магнетизм и сверхтекучесть. Поэтому понимание сильных взаимодействий такого рода является крайне важным в физике конденсированного состояния.

В графене, в отличие от других материалов, квазичастицы–носители заряда имеют крайне высокую подвижность и ведут себя подобно безмассовым релятивистским частицам. Исследователи уже показали, что релятивистские носители заряда в графене сильно взаимодействуют друг с другом и что это может проявляться как FQHE.

Теперь Амир Якоби (Amir Yacoby) с коллегами из Гарвардского университета и Института физики твердого тела Макса Планка показали, что FQHE в графене отличается от такового в других материалах.

«Мы обнаружили необычную последовательность состояний Холла в графене, которые являются следствием глубоких симметрий в материале, - объяснил Якоби. – Эти состояния проливают свет на связь этих симметрий с электрон-электронными взаимодействиями в графене».

Исследователи получили свои результаты с помощью сканирующего микроскопа с одноэлектронным транзистором (SET), зондируя образцы графена с приложенным магнитным полем. SET является специальным типом локального бесконтактного зонда. Он измеряет наличие энергетических щелей в электронном спектре материалов с чувствительностью, которую не могут обеспечить другие методы.

Вид головки сканирующего микроскопа с одноэлектронным транзистором со стороны вакуумной камеры. Изображение показывает кончик SET над образцом графена

Темная энергия, загадочная субстанция, ускоряющая, по мнению ученых, расширение Вселенной, действительно существует. Так считает команда астрономов из Портсмутского (Англия) и Мюнхенского университетов.

После двухлетнего исследования, возглавляемого Томмасо Джаннантонио (Tommaso Giannantonio) и Робертом Криттенденом (Robert Crittenden), ученые сделали вывод, что вероятность существования темной энергии составляет 99,996%.

Проф. Боб Никол (Bob Nichol), член портсмутской команды, сказал: «Темная энергия является одной из великих тайн Природы сегодня, поэтому неудивительно, что так много исследователей задается вопросом о ее существовании. Однако наша новая работа придает нам уверенность в том, что этот экзотический компонент Вселенной реален, даже если у нас нет идеи, из чего он состоит».

Примерно 10 лет назад астрономы, наблюдающие яркость удаленной сверхновой, поняли, что расширение Вселенной происходит с ускорением. Ускорение является следствием силы отталкивания, которую связывают с темной энергией, составляющей, по предположениям, 73% Вселенной. Исследователи, сделавшие это открытие, получили Нобелевскую премию за 2011 г., но существование темной энергии оставалось на вершине дебатов.

Множество других методов было использовано, чтобы подтвердить реальность темной энергии, однако они основывались на непрямых исследованиях ускорения расширения, либо их результаты были в пределах ошибок измерений. Ясные данные о темной энергии пришли с обнаружением интегрированного эффекта Сакса—Вольфа (Integrated Sachs Wolfe effect, Rainer Sachs и Arthur Wolfe).

Если бы во Вселенной преобладала холодная (то есть нерелятивистская) материя, то обусловленные ее неоднородностями возмущения гравитационного потенциала на больших масштабах не изменялись бы существенно за время прохождения фотонов. Если же во Вселенной доминирует релятивистское вещество (например, фотоны) или тёмная энергия, то пространственное распределение потенциала быстро изменяется и слегка изменяет энергию проходящих сквозь него фотонов реликтового излучения.

В 1996 г. Роберт Криттенден (Robert Crittenden) и Нил Тьюрок (Neil Turok) развили эту идею до следующего уровня, предположив, что астрономы могли бы поискать эти небольшие изменения энергии фотонов, сравнивая температуру излучения с картами галактик ближней Вселенной.

Интегральный эффект Сакса-Вольфа впервые был обнаружен в 2003 г., и сразу же стал рассматриваться как подтверждение существования темной энергии. Но сигнал оказался слишком слабым, чтобы подтвердить ожидаемый уровень корреляции между картами. Это позволило ряду ученых предполагать, что он был вызван другими источниками, такими как пыль в нашей Галактике. Начиная с опубликования первой статьи на тему интегрированного эффекта Сакса—Вольфа, некоторые астрономы подвергли сомнению первоначальные обнаружения эффекта и, таким образом, оставляли самые сильные на тот момент доказательства о существовании темной энергии под вопросом.

В новой статье, результате почти двухлетней работы, команда наново изучила все аргументы против обнаружения интегрированного эффекта Сакса—Вольфа, а также улучшила карты ближней Вселенной, использованные в оригинальной работе. После тщательного анализа, они сделали вывод, что с вероятностью 99,996% темная энергия ответственна за более горячие части карт фонового излучения.

«Эта работа также говорит о возможных модификациях общей теории относительности Эйнштейна, - отметил Томассо Джаннантонио. – Следующий выпуск галактических обзоров и фонового излучения должен будет предоставить решающее измерение, либо подтверждающее ОТО, включающую темную энергию, или, что даже более интригующе, требующее полностью нового понимания того, как работает гравитация.

Визуально отображение данных, использованных в исследовании. Соответствующие экстрагалактические карты представляются как оболочки увеличивающегося расстояния от Земли слева направо. Ближайший видимый объект – наша Галактика, которая является потенциальным источником шума при анализе. После этого, имеется шесть оболочек, содержащих карты миллионов удаленных галактик, включенных в исследование. Эти карты получают с использованием различных телескопов на разных длинах волн и кодируют цветом, чтобы показать более плотные скопления галактик (красный) и менее плотные области (синий). В картах имеются дыры, соответствующие недостаточному качеству данных. Наконец, наибольшая оболочка показывает температуру фонового излучения, полученную от спутника WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe) (красный – горячее, синий – холоднее). Команда определила (со значимостью 99,996%) очень малую корреляцию между картами переднего плана (слева) и фоновым излучением (справа)

Исследователи из государственного университета Северной Каролины (NCSU) разработали новый программный инструмент для предотвращения снижения производительности в вычислительном облаке посредством автоматической идентификации и ответа на потенциальные аномалии, прежде чем они разовьются в проблемы.

Запуск множества виртуальных машин на одной большой компьютерной платформе чреват тем, что ошибка в ПО или другие проблемы в одной из них могут вызвать нарушения во всем облаке.

Теперь исследователи разработали ПО, которое отслеживает объем используемой памяти, сетевой трафик, утилизацию ЦП и другие данные на системном уровне в облачной инфраструктуре с целью разработать определение многообразия поведений системы, которые могут считаться «нормальными». Программа определяет нормальное поведение для каждой виртуальной машины в облаке, и затем может искать отклонения и предсказывать аномалии, которые могут оказать влияние на способность системы предоставлять сервисы пользователям.

Одно из преимуществ такого подхода заключается в том, что он не требует от пользователей обеспечения так называемых «данных для тренировки», определяющих, что считать аномальным поведением. Это является важным, потому что данные для тренировки зачастую трудно получить в продуктивной облачной системе. Более того, такой подход способен предсказывать аномалии, которые никогда не были замечены прежде.

Если программа определяет ВМ, поведение которой отклоняется от нормального, она помещается в диагностический «черный ящик», который, не затрагивая пользовательские данные, определяет, какая из метрик, например утилизация ЦП, может пострадать. Полученные данные метрики могут затем использоваться для включения соответствующей превентивной системы, которая скорректирует отклонение и предотвратит возникающую проблему.

«Если мы можем определить начальную стадию отклонения и запустить автоматический ответ, мы не только можем предотвратить последствие, но и даже возможность какого-либо ухудшения производительности системы, - сказала д-р Хелен Гу (Helen Gu). – Также важно отметить, что эта программа не имеет доступ к данным пользователя. Мы рассматриваем поведение только на уровне системы».

Программа не использует сколь-нибудь значительные ресурсы облака – всего 1% нагрузки ЦП и 16 МБ памяти. Она способна собирать необходимые данные и определять нормальное поведение системы намного быстрее, чем существующие методы.

При тестировании программа идентифицировала вплоть до 98% аномалий, что намного выше того, что обнаруживается при существующих подходах.

Д-р Гу сказала, что следующим шагом будет инкорпорирование более детальных средств диагностики в ПО, с помощью которых можно было бы определять программные ошибки, вызывающие аномальное поведение, и исправлять их.