Исследователи из DARPA создали первый в мире твердотельный приемник, продемонстрировавший работу на частоте 0,85 ТГц. Это новейшее достижение в рамках DARPA THz Electronics program на пути поиска транзисторной электроники, способной работать в диапазоне терагерцевых частот. Разработка представляет очередной шаг к основной цели – созданию ИС с тактовой частотой 1,03 ТГц. Такие высокие частоты позволят МО США улучшить связь и сенсорные системы. Одно из таких приложений – сенсоры, которые будут работать через облака в рамках программы DARPA Video Synthetic Aperture Radar (ViSAR).

Вплоть до недавнего времени системы, лежащие в основе продвинутой связи и сенсорных устройств, которые оперируют в миллиметровом диапазоне длин волн, было трудно создавать с желаемой эффективность, как в области генерирования и детектирования, так и в области обработки и излучения необходимых высокочастотных сигналов. Электронные компоненты, такие как построенный DARPA твердотельный приемник, работающий на  частотах  1 ТГц и выше, требуются для управления и манипулирования излучением в этой части радиоспектра.

«Реализация цепей с частотами 0,85 ТГц является замечательным достижением программы и самым последним успехом в долгосрочных инвестициях в радиотранзисторы, - объяснил Джон Альбрехт (John Albrecht), руководитель программы DARPA. – Способность когерентно обрабатывать сигналы частотой 0,85 ТГц обеспечивает средства, чтобы генерировать и излучать сигналы высокой частоты для приложений, таких как ViSAR. Это революционное достижение предоставит ВС США преимущество в особо проблемной части радиоспектра».

Непосредственное изображение, полученное исследователями из Лоуренсовской национальной лаборатории в Беркли (LBL), подтверждают важность электрон-электронных взаимодействий в графене.

Ни один материал не вызывает столь много эмоций в мире электроники, как графен. Сверхтонкий, сверхкрепкий, сверхгибкий и сверхбыстрый проводник электронов, графен рекламируется как потенциальный чудо-материал для электроники, начиная от сверхбыстрых транзисторов. Однако для полной реализации большого потенциала графена ученые должны сначала больше узнать, что делает графен этим чудо-материалом. Самый последний шаг в этом направлении был предпринят исследователями из Лоуренсовской национальной лаборатории в Беркли и Калифорнийского университета (UC) в Беркли.

Майкл Кромми (Michael Crommie), физик, работающий в департаменте материаловедения LBL и в департаменте физики в UC, возглавляет исследование, в котором впервые с помощью наблюдений на микроскопической шкале была записана реакция электронов и дырок на присутствие заряженной примеси – единичного кулоновского потенциала, – размещенной на вентильном графеновом устройстве. Результаты поддерживают теорию, что взаимодействия между электронами играют важную роль в наделении графена экстраординарными свойствами. 

Д-р Майкл Кромми

«Мы показали, что электроны в графене ведут себя совершенно отличным образом вблизи заряженной примеси, от электронов в других материалах, - сказал д-р Кромми. – Некоторые исследователи полагают, что электрон-электронные взаимодействия не являются важными для присущих графену свойств, в то время как другие придерживаются  противоположной точки зрения. Полученная нами впервые картина, как ультрарелятивистские безмассовые фермионы Дирака (квазичастицы,- Л.Б.) перегруппировываются в ответ на кулоновский потенциал, подтверждает важность электрон-электронных взаимодействий. Их поведение существенно отличается от того, как нерелятивистские электроны ведут себя в традиционных атомных и примесных системах».

Работая со специально оборудованным сканирующим туннельным микроскопом в сверхвысоком вакууме, исследователи прозондировали вентильные устройства, содержащие графеновый слой, осажденный на поверхность пластинок нитрида бора, которые размещались на подложке из двуокиси кремния.

«Использование нитрида бора значительно снижает зарядовую неоднородность графена, позволяя тем самым прощупать внутренний электронный ответ графена на присутствие индивидуальных заряженных примесей, - сказал д-р Кромми. – В этом исследовании заряженной примесью служили кобальтовые тримеры, получаемые автоматически на графене с помощью манипуляции кобальтовыми мономерами посредством зонда СТМ». 

            
Ответ ультрарелятивистских электронов в графене на кулоновский потенциал, созданные кобальтовыми тримерами, существенно отличался от ответа нерелятивистских электронов в традиционных системах

СТМ, использованный для создания кобальтовых тримеров, также применялся для отображения ответа дираковских квазичастиц, как «электронов», так и «дырок» на кулоновский потенциал, создаваемый тримерами. Сравнение наблюдаемой электронно-дырочной асимметрии с теоретическими предсказаниями позволило исследовательской команде не только проверить теорию, но и получить диэлектрическую постоянную графена.

«Теоретики предсказали, что, по сравнению с другими материалами, электроны в графене вовлекаются в зону положительно заряженной примеси либо слишком слабо (субкритический режим), либо слишком сильно (сверхкритический режим), - сказал д-р Кромми. – В нашем изучении мы проверили предсказания для субкритического режима и обнаружили, что значение для диэлектрика достаточно мало, чтобы указывать на то, что электрон-электронные взаимодействия вносят значительный вклад в свойства графена. Эта информация является фундаментальной для нашего понимания, как электроны двигаются через графен». 

Увеличенное изображение показывает один из кобальтовых тримеров, размещенных на графене для создания кулоновского потенциала, на который электроны и дырки могут реагировать

Группа по изучению органической электроники при Университете г. Linköping, Швеция, возглавляемая проф Магнусом Берггреном (Magnus Berggren), привлекла пристальное внимание год назад, когда Ларс Херлогссон (Lars Herlogsson) показал в своей докторской диссертации, что возможно сконструировать полнофункциональный полевой транзистор из пластика.

Теперь д-р Loïg Kergoat из той же исследовательской группы показал, что транзистором, сделанным из пластика, можно управлять с высокой точностью.

Если планируется использовать транзистор в логической цепи, его пороговое напряжение, при котором он открывается и закрывается, должно быть точно определено. Д-р Kergoat показал, что, изменяя материал затвора, пороговое напряжение также можно пошагово изменять.

«Транзисторы, сконструированные из органической электроники, должны управляться как можно более низким напряжением, - объяснил д-р Kergoat. -Изменяя материал затвора, например, с золота на кальций, пороговое напряжение можно понизить до 0,9 В».

«Это значит, что мы можем точно управлять одним из наиболее важных свойств наших транзисторов, которые имеют большое значение для построения цепей различных типов», - добавил проф. Берггрен.

Исследователи, пытаясь сгруппировать тонкие частицы в упорядоченное образование, обнаружили неожиданного союзника – энтропию, которой, вообще говоря, приписывают причину «беспорядка».

Компьютерное моделирование, выполненное учеными из Мичиганского университета, показало, что закон возрастания энтропии может побудить частицы формировать организованные структуры.

Открытие может стать основой для создания материалов с исключительными возможностями, такими как принимающий форму объекта камуфляж для машины или улучшающий ее аэродинамику.

Проф. Шарон Глотцер (Sharon Glotzer) предполагает, что такие материалы могли бы разрабатываться в обратной последовательности – от желаемых свойств к созданию образца. Такой сценарий может быть реализован с наночастицами.

Одним из основных затруднений в данном случае – заставить наночастицы образовывать желаемые структуры, но последнее исследование группы проф. Глотцер и других показали, что некоторые простые формы частицы образуют спонтанно, по мере того как они группируются.

«Мы изучили 145 различных форм, и это дало нам больше данных, чем имелось когда-либо ранее для этих типов потенциальных формирователей кристаллов, - сказала проф. Глотцер. – С таким количеством данных мы могли начать изучать, как много структур могут образовывать частицы, и искать тенденции».

Используя программу, написанную Майклом Энджелем (Michael Engel), аспирант Пабло Дамасино (Pablo Damasceno) провел тысячи виртуальных экспериментов, изучая поведение каждой формы при различных условиях уплотнения. Программа могла работать с любой полиэдральной формой с любым количеством граней.

Предоставленные самим себе дрейфующие частицы образовывали упорядоченные формы с наивысшей энтропией. Такое поведение соответствует идее, что энтропия приводит к беспорядку, если у частиц достаточно пространства: они рассеиваются в случайных направлениях. Но плотно сжатые частицы начинают формировать кристаллические структуры подобно тому, как это делают атомы, даже если они не могут образовывать связи.

Проф. Глотцер объясняет, что это – не реальный порядок из беспорядка, просто энтропия нуждается в пересмотре своего имиджа. Ее нужно воспринимать как меру возможностей. Если выключить гравитацию и вбросить в пустую банку игральные кости, плавающие кости будут перемещаться в разных направлениях. Однако если начать добавлять кости в банку, пространство становится настолько тесным, что у костей больше возможностей расположиться грань к грани. То же происходит и с наночастицами.

Результат моделирования показал, что почти 70% протестированных форм образовывали кристаллоподобные структуры. Но шокирующим был тот факт, насколько были сложны некоторые структуры – повторяющуюся картину («узлы решетки») образовывали вплоть до 52 частиц.

Формы частиц образовывали три кристаллических типа: регулярные кристаллы, подобные соли; жидкие кристаллы и пластические кристаллы, в которых частицы могли поворачиваться на месте.

Почему остальные 30% никогда не формируют кристаллические структуры, оставаясь неупорядоченными, является загадкой.

Физики из Нидерландов говорят, что они получили первые экспериментальные данные существования фермионов Майорана – частиц, которые являются в то же время собственными античастицами. Исследователи объявили, что на границе между тонкой полупроводниковой проволокой и сверхпроводящим электродом они наблюдали так называемую сигнатуру этих неуловимых частиц, которые впервые были предсказаны итальянским физиком Этторе Майорана в 1937 г. Правда, в данном случае речь идет не о фундаментальных частицах, а о квазичастицах, квантах коллективных колебаний электронов в твердом теле.

Открытие согласуется не только с предсказанием Майорана, но и с недавней теоретической работой, согласно которой эти частицы могут образовываться в твердотельных устройствах. Последнее может быть важным для разработки квантовых компьютеров, потому что фермионы Майорана, в отличие от более знакомых дираковских фермионов, таких как электроны, подчиняются не-абелевой статистике и должны быть устойчивы в шумам. Поэтому фермионы Майорана способны сохранять и передавать квантовую информацию без возмущений от внешней среды, которые являются бедствием для любого, кто пытается построить практический квантовый компьютер.

Новые данные о майорановских фермионах были получены командой, возглавляемой Лео Кувенховеном (Leo Kouwenhoven), из Технологического университета Делфта и Технологического университета Эйндховена, которая изучала материалы, известные как топологические изоляторы. Это материалы, которые являются изоляторами в целом, но могут проводить электричество по поверхности благодаря специальным поверхностным состояниям электронов. Теория предсказывает, что квазичастицы могут образовываться посредством комбинации обычного сверхпроводника и топологического изолятора.

В качестве топологического изолятора исследователи использовали нанопроволоку из индия и стронция, которая служила мостом между сверхпроводящим электродом, сделанным из нитрида ниобия и титана, и обычным электродом, сделанным их золота. Устройство охлаждалось до температуры в десятки милликельвинов, и вдоль нанопроволки прикладывалось магнитное поле.

Затем команда измеряла ток, текущий через нанопроволоку как функцию напряжения. При нулевом магнитном поле наблюдались два небольших пика по каждую сторону от нулевого значения напряжения. Когда увеличивалась напряженность магнитного поля, положение этих пиков не изменялось. Та же картина наблюдалась и при замене магнитного поля электрическим.

Согласно заявлению ученых, такое отсутствие ответов на прикладывание магнитного и электрического полей может быть объяснено только присутствием пар майорановских фермионов на одном конце нанопроволоки.

Устройство, изготовленное из индий-стронциевой нанопроволоки с золотыми контактами и частично покрытой сверхпроводящим ниобиевым контактом. Фермионы Майорана создавались на конце нанопроволоки

Исследователи из Национального университета Австралии разработали самый быстрый в мире генератор случайных чисел, слушая «звуки тишины». Они настроили свои очень чувствительные детекторы света, чтобы слушать вакуум.

Согласно современным представлениям квантовой механики, вакуум заполнен виртуальными субатомными частицами, которые случайно появляются и исчезают.

Присутствие этих виртуальных частиц приводит к появлению случайного шума. Этот «шум вакуума» присутствует везде и может воздействовать на оптоволоконную связь, радиовещание и работу компьютеров. «То, чего инженеры всегда стремились избежать, мы использовали для генерирования случайных чисел», - сказал проф. Пин Кой Лам (Ping Koy Lam).

Генераторы случайных чисел широко применяются в ИТ. Глобальные климатические прогнозы, управление воздушным трафиком, электронные игры, шифрование и различные типы компьютерного моделирования опираются на доступность несмещенных случайных чисел. Сегодня большинство генераторов случайных чисел базируются на компьютерных алгоритмах. Хотя сгенерированные компьютером случайные числа могут быть полезны, знание входных данных алгоритма приведет к предсказуемости и воспроизведению выходных данных, превращая числа в псевдослучайные. Чтобы преодолеть эту проблему, были разработаны генераторы случайных чисел на основе истинно случайных физических процессов, таких как радиоактивный распад или хаотическое поведение носителей тока в электрических цепях.

Вакуумный шум является одним из источников истинных случайных событий, так как он по сути широкополосный и его непредсказуемость гарантируется квантовой теорией.

Команда подсоединила свою настольную лазерную экспериментальную установку прямо к Интернету. Таким образом, генератор случайных чисел может быть доступен из практически любого места и в любое время.

Сейчас команда ищет возможности коммерциализации и миниатюризации своего устройства.

                      Генератор случайных чисел

Беспроводные сети с множеством транзитных узлов могут передавать данные в обширных районах, но у них существует значительный предел количества передаваемых данных. Теперь исследователи из государственного университета Северной Каролины разработали более эффективный подход, который может увеличить количество передаваемых данных от 20 до 80%.

«Наш подход увеличивает среднее количество данных, которое может быть передано внутри сети как минимум на 20% для сетей со случайным расположением узлов, и до 80%, если узлы образуют кластер внутри сети», - сказал д-р Рудра Дутта (Rudra Dutta). Данный подход делает сеть также более энергоэффективной.

Мультитранзитные беспроводные сети используют множество беспроводных узлов для покрытия больших площадей. Однако такие сети имеют «горячие точки» - места в сети, где передающиеся данные могут интерферировать. Это ограничивает скорость передачи, потому что узлы должны образовывать очередь в этих перегруженных точках.

Для снижения степени помех данные могут передаваться при более низкой энергии и на короткие расстояния. Но это значит, что данные должны проходить через большое количество узлов, прежде чем они достигнут получателя. Или данные могут передаваться при более высокой энергии, что позволит передавать их дальше и быстрее, но мощная передача приведет к помехам.

Для решения этой проблемы исследователи разработали подход, названный централизованное управление энергией. Он использует алгоритм, который инструктирует каждый узел сети, как много энергии он должен излучать для каждой передачи в зависимости от конечного получателя.

Алгоритм оптимизирует эффективность системы, определяя, когда допустима более высокая мощность передачи, а когда мощность необходимо понизить.

Новые чипы памяти, которые прозрачны, гибки настолько, что могут складываться подобно листу бумаги, выдерживающие температуру более 500 °С и функционирующие в агрессивной среде, могут стать предметом разработки памяти следующего поколения для мобильных телефонов и компьютеров.

«Эти новые чипы действительно важны для электронной индустрии, потому что они могут заменить флэш-память, - сказал д-р Джеймс Тур (James M. Tour), возглавляющий исследования. – Они имеют массу преимуществ по отношению к современной памяти. Процесс миниатюризации флэш-памяти может продолжаться еще шесть-семь лет, а потом разработчики столкнутся с фундаментальными ограничениями».

Изначально чипы конструировались из слоя графена или другого углеродного материала, уложенного на поверхность окиси кремния, который долгое время рассматривался как изолятор. Исследователи из Университета Райса думали, что замечательные свойства чипов обусловлены графеном. Однако потом они обнаружили, что ошибались. В действительности памятью служила поверхность окиси кремния, и теперь они могут делать чипы без графена.

Прозрачность и небольшой размер новых чипов позволяют использовать их для множества потенциальных приложений. К примеру, современные сенсорные экраны изготавливаются из пленки окиси индия и стекла и легко могут быть разбиты. Однако пластик, содержащий чипы памяти, может заменить эти экраны, одновременно освобождая место в телефонах для других компонентов.

Прозрачный, гибкий чип памяти, созданный исследователями из Университета Райса

Новые исследования поддержали идею, что кометы, бомбардировавшие Землю миллиарды лет назад, доставили ключевые ингредиенты для возникновения жизни на Земле.

Д-р Дженнифер Бланк (Jennifer G. Blank) описала эксперименты, которые воссоздавали с помощью мощной лабораторной «пушки» и компьютерного моделирования условия, которые существовали внутри комет, когда они входили в земную атмосферу со скоростью почти 30000 км/ч и разбивались на поверхности. Исследование является частью многочисленных попыток понять, как аминокислоты и другие ингредиенты для возникновения жизни появились на планете, которая миллиарды лет назад была пустой и бесплодной.

«Наше исследование показало, что строительные блоки жизни могли остаться интактными вопреки огромной ударной волне и другим условиям, возникающим при соударении кометы с Землей, - сказала д-р Бланк. – Кометы действительно были бы идеальной упаковкой для доставки ингредиентов для химической эволюции, которая привела бы к возникновению жизни. Мы верим в этот сценарий, поскольку кометы включают все необходимые ингредиенты для жизни – аминокислоты, воду и энергию».

Имеющиеся данные предполагают, что жизнь возникла на Земле приблизительно 3,8 млрд лет назад, когда она подвергалась интенсивной бомбардировке кометами и астероидами. Ранее Земля была слишком горячей для возникновения жизни. Самые ранние известные ископаемые датируют жизнь 3,5 миллиардами лет назад. Как же жизнь могла возникнуть так быстро, когда на Земле было мало воды или аминокислот, составляющих протеины. В то же время, предыдущие анализы кометной пыли, доставленной космическими кораблями NASA, исключили любые сомнения в том, что аминокислоты встречаются в кометах.

В наборе экспериментов ученые использовали газовую пушку для симуляции высоких температур и мощной ударной волны, которым подвергаются аминокислоты при входе кометы в атмосферу. Газовая пушка, устройство весом несколько сотен килограмм, стреляет объектами с помощью газа под высоким давлением, движущимся на сверхзвуковой скорости. «Пулями» служили капсулы, наполненные аминокислотами, водой и другими материалами. Аминокислоты не разрушались под воздействием тепла и ударной волны при симуляции столкновения. Более того, они начинали формирование так называемых «пептидных связей», объединяющих аминокислоты в протеины. Давление от удара привело к интенсивному нагреванию, которое поставило энергию, необходимую для создания пептидов.

У нас уже не вызывает неприятие интерференция электронов, поскольку она является хрестоматийным примером волновых свойств элементарных частиц даже во вводных курсах квантовой механики. Однако теория предсказывает, что даже составные частицы могут проявлять волновые свойства.

Интернациональной команде ученых удалось заснять на пленку интерференцию одиночных молекул красителя размером 0,1 нм, который позволяет легко видеть их с помощью камеры.

Легендарный Ричард Фейнман как-то сказал, что интерференционные эффекты, вызванные дуальными свойствами элементарных частиц, являются одной из загадок квантовой физики. Понимание и применение волновых свойств материи для новых технологий является целью исследований, выполняемых командой Маркуса Арндта (Markus Arndt) в Венском университете.

Ученые впервые засняли фильм, который показывает суммарную картину квантовой интерференции стохастически достигающих экрана одиночных частиц фталоцианина после их прохождения через ультратонкую дифракционную нанорешетку. Как только молекулы попадали на экран, исследователи выполняли съемку, используя флюоресцентный микроскоп с пространственным разрешением, чья чувствительность была столь высока, что он мог отображать каждую молекулу и ее расположение с точностью до 10 нм.

В этих экспериментах ван-дер-ваальсовые силы между молекулами и решеткой создавали определенные трудности, поскольку сильно искажали интерференционную картину. Для того чтобы уменьшить их влияние, ученые использовали решетку толщиной всего 10 нм.

Эта новая разработка, комбинирующая микро- и нанотехнологии для получения дифракционной картины молекулярных пучков, является важной для расширенных экспериментов по квантовой интерференции для более сложных молекул, а также и в атомной интерферометрии.

Эксперименты имеют также и сильную дидактическую составляющую: они раскрывают одночастичный характер сложной квантовой дифракционной картины на макроскопической шкале, видимой для глаз. 
                            

  Выделенные кадры фильма, показывающие квантовую интерференционную картину от одиночных молекул фталоцианина