Дослідники з Інституту Нільса Бора в Копенгагенському університеті розробили новий спосіб створення квантової пам’яті: невеликий барабан може зберігати дані, надіслані світлом у своїх звукових коливаннях, а потім передавати дані новим джерелам світла, коли вони потрібні. Результати демонструють, що механічна пам’ять для квантових даних може стати стратегією, яка прокладає шлях до надзвичайно безпечного Інтернету з неймовірною швидкістю.
Квантовий барабан — це невелика мембрана, виготовлена з керамічного, схожого на скло матеріалу з отворами, розкиданими акуратним візерунком по краях.
Коли по барабану б’ють світлом лазера, він починає вібрувати, і робить це настільки швидко й безперешкодно, що в гру вступає квантова механіка. Ця властивість вже давно викликала ажіотаж, відкривши низку квантових технологічних можливостей.
Тепер співпраця в різних квантових областях в Інституті продемонструвала, що барабан також може відігравати ключову роль для майбутньої мережі квантових комп’ютерів. Дослідники створили нову форму «квантової пам’яті», перетворивши світлові сигнали на звукові коливання.
У щойно опублікованій дослідницькій статті дослідники довели, що квантові дані від квантового комп’ютера, випромінювані у вигляді світлових сигналів – наприклад, через волоконно-оптичний кабель, який уже використовується для високошвидкісного підключення до Інтернету – можуть зберігатися у вигляді вібрації в барабані, а потім надсилатися далі.
Попередні експерименти продемонстрували дослідникам, що мембрана може залишатися в інакшому крихкому квантовому стані. І на цій основі вони вважають, що барабан повинен мати можливість приймати і передавати квантові дані без їх «декогеренції», тобто втрати свого квантового стану, коли квантові комп’ютери будуть готові.
«Це відкриває чудові перспективи на той день, коли квантові комп’ютери справді зможуть робити те, чого ми від них очікуємо. Квантова пам’ять, ймовірно, буде фундаментальною для передачі квантової інформації на відстані. Отже, те, що ми розробили, є важливою частиною самого фундаменту для Інтернету майбутнього з квантовою швидкістю та квантовою безпекою», — каже постдок Мадс Б’єррегаард Крістенсен (Mads Bjerregaard Kristensen) з Інституту Нільса Бора, провідний автор нової наукової статті.
Під час передачі інформації між двома квантовими комп’ютерами на відстані – або між багатьма в квантовому Інтернеті – сигнал швидко заглушається шумом. Рівень шуму в волоконно-оптичному кабелі експоненціально зростає, чим довший кабель. Згодом дані більше не можуть бути декодовані.
Класичний Інтернет та інші великі комп'ютерні мережі вирішують цю проблему шуму, посилюючи сигнали на невеликих станціях уздовж маршрутів передачі. Але щоб квантові комп’ютери могли застосувати аналогічний метод, вони повинні спочатку перевести дані у звичайні двійкові системи числення.
Це не вийде. Це сповільнить роботу мережі та зробить її вразливою для кібератак, оскільки ймовірність того, що класичний захист даних буде ефективним у майбутньому квантового комп’ютера, дуже низька.
Замість цього вчені сподіваються, що квантовий барабан зможе взяти на себе це завдання. Він показав великі перспективи, оскільки він неймовірно добре підходить для отримання та повторного надсилання сигналів від квантового комп’ютера. Таким чином, мета полягає в тому, щоб розширити зв’язок між квантовими комп’ютерами через станції, де квантові барабани приймають і ретранслюють сигнали, і таким чином уникати шуму, зберігаючи дані в квантовому стані», – говорить Мадс Б’єррегаард Крістенсен.
У разі успіху станції також зможуть розширювати квантово-захищені з’єднання, чиї квантові коди також можуть бути подовжені барабаном. Ці захищені сигнали можуть надсилатися на різні відстані, чи то навколо квантової мережі, чи то через Атлантику, у квантовому Інтернеті майбутнього.
Барабан — це найновіший і найсерйозніший варіант механічної квантової пам’яті, оскільки має низькі втрати сигналу, тобто потужність сигналу даних добре зберігається. Він також має величезну перевагу в тому, що здатний працювати з усіма частотами світла, включно з частотою, яка використовується у волоконно-оптичних світлових кабелях, на яких побудований сучасний Інтернет.
Квантовий барабан також зручний, оскільки дані можна зберігати та зчитувати, коли це необхідно. А рекордні 23 мілісекунди часу пам’яті, якого вже досягли дослідники, роблять набагато більш імовірним те, що технологія одного дня може стати будівельним блоком для систем квантових мереж, а також апаратного забезпечення квантових комп’ютерів.
Новий квантовий матеріал — перспективний кандидат для розробки високоефективних сонячних елементів наступного покоління, які відіграватимуть вирішальну роль у задоволенні глобальних енергетичних потреб.
Дослідники з Університету Лехай розробили матеріал, який демонструє потенціал для різкого підвищення ефективності сонячних панелей.
Прототип, який використовує цей матеріал як активний шар у сонячному елементі, демонструє середнє фотоелектричне поглинання 80%, високу швидкість генерації фотозбуджених носіїв та зовнішню квантову ефективність (EQE) до безпрецедентних 190% — показник, який значно перевищує теоретичне обмеження ефективності Шоклі-Квейссера для матеріалів на основі кремнію та висуває сферу квантових матеріалів для фотоелектричної енергії на нові висоти.
«Ця робота являє собою значний крок вперед у нашому розумінні та розробці рішень сталої енергетики, висвітлюючи інноваційні підходи, які могли б переосмислити ефективність сонячної енергії та доступність у найближчому майбутньому», — сказав Чінеду Екума (Chinedu Ekuma), професор фізики, який опублікував статтю про розробку матеріалу з докторантом Lehigh Шріхарі Кастуаром (Srihari Kastuar) у журналі Science Advances.
Стрибок ефективності матеріалу в основному пояснюється його характерними «проміжними станами» (intermediate state), специфічними рівнями енергії, які розташовані в електронній структурі матеріалу таким чином, що роблять їх ідеальними для перетворення сонячної енергії.
Ці стани мають рівні енергії в межах оптимальних зазорів підзон — енергетичних діапазонів, де матеріал може ефективно поглинати сонячне світло та виробляти носії заряду — близько 0,78 і 1,26 електрон-вольта.
Крім того, матеріал особливо добре працює з високим рівнем поглинання в інфрачервоній та видимій областях електромагнітного спектру.
У традиційних сонячних елементах максимальний EQE становить 100%, що означає генерацію та збір одного електрона для кожного поглиненого фотона. Однак деякі передові матеріали та конфігурації, розроблені протягом останніх кількох років, продемонстрували здатність генерувати та збирати більше одного електрона з фотонів високої енергії, що представляє EQE понад 100%.
Хоча такі матеріали множинної генерації екситонів (MEG) ще мають бути широко комерціалізовані, вони мають потенціал для значного підвищення ефективності сонячних енергетичних систем. У матеріалі, розробленому Lehigh, стани проміжної смуги дозволяють вловлювати енергію фотонів, яка втрачається традиційними сонячними елементами, в тому числі через відображення та виробництво тепла.
Дослідники розробили новий матеріал, використовуючи переваги «ван-дер-ваальсових проміжків», атомарно малих проміжків між шаруватими двовимірними матеріалами. Ці проміжки можуть обмежувати молекули або іони, і матеріалознавці зазвичай використовують їх для вставки або «інтеркаляції» інших елементів для налаштування властивостей матеріалу.
Щоб розробити свій новий матеріал, дослідники Lehigh вставили атоми нуль-валентної міді між шарами двовимірного матеріалу, виготовленого з селеніду германію (GeSe) і сульфіду олова (SnS).
Екума, експерт з обчислювальної фізики конденсованого середовища, розробив прототип як доказ концепції після того, як широке комп’ютерне моделювання системи продемонструвало теоретичні перспективи.
«Його швидка реакція та підвищена ефективність переконливо вказують на потенціал GeSe/SnS, інтеркальованого Cu, як квантового матеріалу для використання в передових фотоелектричних додатках, пропонуючи шлях для підвищення ефективності перетворення сонячної енергії», — сказав він. «Це багатообіцяючий кандидат для розробки високоефективних сонячних елементів нового покоління, які відіграватимуть вирішальну роль у задоволенні глобальних енергетичних потреб».
Хоча інтеграція нещодавно розробленого квантового матеріалу в поточні системи сонячної енергії потребуватиме подальших досліджень і розробок, Екума вказує на те, що експериментальна техніка, яка використовується для створення цих матеріалів, уже дуже просунута. З часом вчені освоїли метод, який точно вставляє атоми, іони та молекули в матеріали.
Схема тонкоплівкового сонячного елемента з CuxGeSe/SnS як активного шару
Дослідження UMass Amherst демонструє, що мемристорний пристрій може вирішувати складні наукові проблеми, використовуючи значно менше енергії, долаючи одну з головних перешкод цифрових обчислень.
Багато важливих наукових питань сьогодення — від моделювання нанорозмірних матеріалів до великомасштабної науки про клімат — можна досліджувати за допомогою складних рівнянь. Однак сучасні цифрові обчислювальні системи досягають своєї межі для виконання цих обчислень з точки зору швидкості, споживання енергії та інфраструктури.
Цянфей Ся (Qiangfei Xia), професор електротехніки та комп’ютерної інженерії UMass Amherst і один із авторів дослідження, опублікованого в журналі Science, пояснює, що за сучасних методів обчислення щоразу, коли ви хочете зберегти інформацію або дати комп’ютеру завдання, він вимагає переміщення даних між пам'яттю та обчислювальними блоками. Зі складними завданнями, які переміщують великі обсяги даних, ви, по суті, отримуєте своєрідну «пробку» обробки.
Одним із способів вирішення цієї проблеми традиційними обчисленнями є збільшення пропускної здатності. Натомість проф. Ся та його колеги з UMass Amherst, Університету Південної Каліфорнії, та виробника обчислювальних технологій TetraMem Inc. запровадили обчислення в пам’яті за допомогою технології аналогових мемристорів як альтернативу, яка може уникнути цих вузьких місць, зменшивши кількість передач даних.
Обчислення команди в пам’яті спираються на електричний компонент, який називається мемристор — комбінація пам’яті та резистора (який контролює потік електроенергії в ланцюзі). Мемристор контролює потік електричного струму в ланцюзі, а також «запам’ятовує» попередній стан, навіть коли живлення вимкнено, на відміну від сучасних комп’ютерних чіпів на основі транзисторів, які можуть зберігати інформацію лише за наявності живлення. Мемристорний пристрій можна запрограмувати на кілька рівнів опору, збільшуючи щільність інформації в одній комірці.
Якщо така схема пам’яті організована у вигляді матричного масиву, вона виконує аналогові обчислення, використовуючи фізичні закони в масовому паралельному режимі, суттєво прискорюючи матричні операції, найбільш часто використовуваного, але дуже енергоємного обчислення в нейронних мережах. Обчислення виконуються на місці пристрою, а не переміщують дані між пам’яттю та блоками обробки. Використовуючи аналогію з трафіком, проф. Ся порівнює обчислення в пам’яті з майже порожніми дорогами, які спостерігалися в розпал пандемії: «Ви ліквідували трафік, тому що [майже] всі працювали вдома, — каже він. - Ми працюємо одночасно, але надсилаємо лише важливі дані/результати».
Команда дослідників під керівництвом Кембриджського університету знайшла новий спосіб спростити структуру високоефективних синіх органічних світлодіодів (OLED), що може призвести до більш довготривалих екранів із високою чіткістю.
Нагадаємо, OLED — це клас органічної електроніки, яка вже комерційно доступна в смартфонах і дисплеях і може бути ефективнішою, ніж конкуруючі технології. Але хоча OLED-екрани мають яскраве зображення, в них є й певні недоліки, такі як висока вартість і порівняно короткий термін служби.
У статті, опублікованій в Nature Materials, дослідники з університетів Кембриджа, Імперіала, Лафборо та Нортумбрії описують нову конструкцію, яка подолає ці проблеми та може призвести до простіших, менш дорогих систем із чистішим і стабільнішим синім світлом.
У найдосконаліших OLED-дисплеях екранні пікселі складаються з трьох різнокольорових субпікселів – червоного, зеленого та синього, – які світяться з різною інтенсивністю, створюючи різні кольори. Однак субпікселі, які випромінюють синє світло, є найменш стабільними та можуть бути чутливими до «вигоряння» екрана, що може знебарвити екран і погіршити якість перегляду.
Хоча було досягнуто певного прогресу в оптимізації синіх OLED, нове відкриття робить їх простіше, стабільніше та дешевше.
OLED побудований як сендвіч із шарами органічного напівпровідника між двома електродами. У середині стека знаходиться емісійний шар, який світиться під час живлення електрикою. Електрична енергія надходить у молекули, які потім виділяють цю додаткову енергію у вигляді світла.
Ідеальний OLED перетворює більшу частину електричної енергії на світло, але іноді енергія відволікається та погіршує структуру OLED. Це особливо проблемно з синім світлом, що зменшує ефективність і термін служби OLED. Розробка ефективних OLED зводиться до управління тим, як їх структура може конструктивно направляти енергію.
Щоб розв’язати цю проблему, Хьюго Бронштейн (Hugo Bronstein) та Денієл Конгрейв (Daniel Congrave) з Кемріджу вирішили розробити нову молекулу випромінювача світла.
Нова молекула блокує шляхи руйнівної енергії. Вражаючий стрибок полягав у додаванні щитків до випромінювача, який контролює взаємодію молекул.
«Ми розробили молекулу, яка дозволила нам спростити емісійний шар синього пікселя лише до двох компонентів, зберігаючи при цьому високу ефективність, що може допомогти знизити вартість, — зазначив Денієл Конгрейв. - Молекула також є однією з найвужчих молекул синього випромінювання, що є дуже корисним для екранів, оскільки забезпечує високу чистоту кольорів».
Співавтор, доктор Марк Етерінгтон (Marc Etherington), доцент Університету Нортумбрії, сказав: «Завдяки цій новій молекулі ми створили канал для розробки більш ефективних OLED, які зменшать споживання енергії нашими пристроями в інформаційну еру. Оскільки ми всі працюємо над цільовим показником чистого нуля, це може мати значний вплив як на виробників, так і на споживачів».
Це дослідження сприятиме наступному поколінню блакитних OLED, які забезпечують високу ефективність, яскравість, стабільність і чистоту кольорів одночасно.
Частинки диблок-сополімеру (dBCP), здатні динамічно змінювати форму та колір, привернули значну увагу завдяки своїй універсальності в програмованих формах і складних наноструктурах.
Однак їх застосування у фотонних системах залишається обмеженим через труднощі в досягненні достатньої кількості бездефектних фотонних шарів у масштабі десятків мікрометрів. У цьому дослідженні вчени представили новаторську демонстрацію фотонних частинок dBCP, що містять понад 300 фотонних шарів, розташованих по осі, із здатністю реагувати на зміну кольору та форми.
Підхід використовує складну взаємодію між макрофазним поділом кількох несумісних компонентів і мікрофазним поділом dBCP від мікроемульсій, що випаровуються розчинником. Зокрема, безперервне відділення фаз силіконової олії від полістирол-блок-полі(2-вінілпіридину) (PS-b-P2VP), викликане випаровуванням розчинника, сприяє анізотропному зростанню шарів PS-b-P2VP. Це призводить до утворення колоїдів Януса (частинки, що мають різні властивості складових частин, отримали свою назву на ім'я дволикого римського бога Януса), де крапля олії зливається з наноструктурованим полімерним конусом, а пластинчасті структури вирівнюються вздовж довгої осі конуса.
Науковці підкреслюють можливість точного налаштування морфології частинок і відповідної орієнтації, дисперсії та структурного колірного вікна шляхом модуляції як молекулярної маси PS-b-P2VP, так і об’ємного співвідношення між PS-b-P2VP і силіконовою олією. Крім того, оборотне набухання/розбухання фотонних колоїдів візуалізується та співвідноситься з їхніми структурними кольорами. Нарешті, в роботі демонструється потенціал цього дослідження, представляючи багатоколірний масив фотонних колоїдів і підкреслюючи можливості для застосування в розумних фотонних чорнилах і пристроях.
Розроблено новаторську технологію, яка дозволяє відображати кольори та форми в реальному часі за допомогою змін у наноструктурах. Ця інноваційна технологія, започаткована проф. Кан Хі Ку (Kang Hee Ku) та її командою в Школі енергетики та хімічної інженерії в UNIST, має потенціал зробити революцію в різних галузях, таких як розумні полімерні частинки.
Використовуючи блок-сополімери, дослідницька група досягла самоскладання фотонних кристалічних структур у великому масштабі, імітуючи природні явища, які спостерігаються в крилах метеликів і пташиному пір’ї. Відображаючи форму та напрямок наноструктур, ця технологія дозволяє візуалізувати яскраві кольори та складні візерунки в реальному часі.
Проф. Ку підкреслила важливість цього досягнення, заявивши: «Ми успішно створили сотні бездоганних фотонних кристалічних структур за допомогою автономної організації блок-сополімерів, усуваючи потребу у зовнішніх маніпуляціях».
Ключова інновація полягає у використанні полімеру, який може динамічно регулювати розмір мікроструктур у частинках у відповідь на зміни зовнішнього середовища. Використовуючи унікальні властивості блок-сополімерів полістирол-полівінілпіридин (PS-b-P2VP), структуру, форму та колір частинок можна адаптувати, повертаючи їх до початкового стану, незважаючи на зміни навколишнього середовища.
Моніторинг структурних змін у реальному часі показав, що розмір і колір мікронаноструктур адаптуються до коливань концентрації спирту або значення pH. Примітно, що частинки, отримані за допомогою цієї технології, демонструють інноваційну структуру форми «ріжка морозива», яка поєднує аспекти твердих тіл і рідин для візуалізації коливань рідини та динамічної зміни форми та кольору у відповідь на зовнішні подразники.
Проф. Ку продемонструвала впевненість щодо потенційних застосувань цього дослідження, заявивши: «Це дослідження відкриває двері для створення оптичних частинок, що самозбираються, оптимізуючи складні умови процесу, які зазвичай пов’язані з колоїдною кристалічною структурою та формуванням малюнка».
Дослідження опубліковане в журналі ACS Nano за лютий 2024 року.
Малюнок 1. Фотонні колоїди Януса з наноструктурованим конусом
Платформи, засновані на молекулах, керованих за допомогою «оптичних пінцетів», можуть виконувати складні фізичні обчислення.
Квантова заплутаність є одним із ефектів, які лежать в основі технології квантових обчислень.
Фізики зробили перший крок до створення квантових комп’ютерів з окремих молекул, захоплених лазерними пристроями, які називаються оптичними пінцетами. Дві команди опублікували свої результати у грудні в журналі Science, в обох випадках спонукаючи пари молекул монофториду кальцію взаємодіяти так, що вони заплуталися — вирішальний ефект для квантових обчислень.
Ці дві статті є «визначним результатом», — каже Адам Кауфман (Adam Kaufman), фізик з Університету Колорадо в Боулдері: «Це відкриває двері для використання заплутаних станів для покращення потенційних застосувань масивів молекулярних пінцетів».
Деякі з перших демонстрацій основних принципів квантових обчислень наприкінці 1990-х років використовували велику кількість молекул, оброблених у розчині всередині машини ядерного магнітного резонансу. Відтоді дослідники розробили низку інших платформ для квантових обчислень, включаючи надпровідні схеми та окремі іони, що утримуються у вакуумі. Кожен із цих об’єктів використовується як фундаментальна одиниця квантової інформації, або кубіт — квантовий еквівалент бітів у класичних комп’ютерах.
За останні кілька років з’явився ще один сильний суперник, у якому кубіти складаються з нейтральних атомів — на відміну від іонів — захоплених «пінцетом» високосфокусованого лазерного променя.
Тепер дві окремі групи досягли ранніх успіхів у використанні цього підходу з молекулами замість атомів. «Молекули мають дещо більшу складність, а це означає, що вони пропонують нові способи кодування квантової інформації, а також нові способи їх взаємодії, — каже Лоуренс Чек (Lawrence Cheuk), співавтор однієї з робіт, який є фізиком у Прінстоні, Університет в Нью-Джерсі. - Це пропонує безпрецедентні способи обробки квантової інформації».
В обох дослідженнях використовували масиви оптичних пінцетів з однією молекулою, захопленою в кожному пінцеті. За допомогою лазерних методів вони охолодили молекули до температури в десятки мікрокельвінів, лише мільйонних часток градуса вище абсолютного нуля. У цьому стані молекули були близькі до повного спокою. Їхнє обертання можна зупинити або змусити їх обертатися лише з одним квантом кутового моменту, який називається ħ — найменшою частотою обертання, яку вони можуть мати. Обидві команди використовували молекули, що не обертаються, щоб представити стан «0» своїх кубітів, а молекули, що обертаються, — щоб представити стан «1».
Монофторид кальцію є високополярним — негативні електричні заряди, що переносяться його електронами, скупчуються до атома фтору, залишаючи кальцієвий кінець молекули з чистим позитивним зарядом. Дослідники змогли змусити дві молекули монофториду кальцію взаємодіяти, «відчуваючи» позитивний і негативний полюси одна одної. «Диполярна взаємодія молекул дає нам додаткову ручку налаштування», — каже Джон Дойл (John Doyle), фізик із Гарвардського університету в Кембриджі, штат Массачусетс, який є співавтором іншої статті.
Таким чином команди змогли продемонструвати, що молекули заплуталися, тобто вони утворили колективну квантову систему. Це потрібно квантовим комп’ютерам для запуску алгоритмів.
Для більшості застосувань молекулярні квантові комп’ютери будуть повільнішими, ніж ті, що використовують інші типи кубітів, кажуть дослідники. Але молекули можуть бути природним середовищем для маніпулювання квантовою інформацією за допомогою «кутрітів» (qutrits), які мають три можливі стани: −1, 0 і +1. Qutrits може запропонувати спосіб проведення квантового моделювання складних матеріалів або фундаментальних сил фізики.
Дойл додає, що ці досягнення можуть також допомогти у використанні захоплених молекул для високоточних вимірювань, які можуть виявити існування нових елементарних частинок.
Квантова заплутаність (ілюстрація) є одним із ефектів, які лежать в основі технології квантових обчислень
Приблизно одна п’ята світової електроенергії витрачається на охолодження, і Міжнародне енергетичне агентство передбачає удвічі збільшення кількості установок кондиціонування повітря до 2040 року. Незважаючи на століття прогресу, існуючі системи охолодження, що спираються на стиснення пари, досягли свого термодинамічного порогу. Ці системи не тільки викидають парникові гази, сприяючи екологічним проблемам, але й створюють значний шум. Таким чином, надання пріоритету розвитку енергоефективних та екологічно чистих систем має першочергове значення для вирішення проблеми глобального потепління та заохочення відповідального використання природних ресурсів.
Тепер команда дослідників з Люксембурзького інституту науки і технологій (LIST) розробила технологію, яка може трансформувати майбутні холодильні системи. Їх остання віха дослідження, опублікована у престижному журналі Science, докладно описує механізм, який зосереджується на використанні електрокалорійного ефекту – явища, коли матеріал піддається оборотній зміні температури під впливом електричного поля – для досягнення бажаного результату.
У цьому конкретному випадку електрокалорійний ефект передбачає застосування електричного поля до керамічних конденсаторів, викликаючи зміни температури та створюючи ефект охолодження. «Запропоноване нами рішення включає збірку багатошарових конденсаторів, укладених у електрично з’єднану заповнену рідиною трубу», — пояснює д-р Еммануель Дефай (Emmanuel Defay), який очолює сектор нанотехнологій у відділі дослідження матеріалів і технологій (MRT) у LIST. Д-р Дефай та його команда працювали над електрокалорійними матеріалами протягом кількох років. «Рідина тече туди-сюди між конденсаторами, створюючи температурний градієнт», — додає він.
Цей вузол, який називається регенератором, може з часом замінити звичайний компресор і шкідливі для навколишнього середовища рідини в сучасних холодильниках, забезпечуючи більш енергоефективне та стійке рішення для охолодження. Дійсно, енергоефективність є ще однією ключовою перевагою цієї технології.
Потенційне застосування цієї технології виходить за межі охолодження, включаючи кондиціонування повітря. «Наше дослідження було детально описано в статті в Science три роки тому. Відтоді ми досягли значних успіхів, у нашій останній статті представлено багатообіцяючі розробки, зокрема щодо енергоефективності та рішень для масштабування».
Наразі команда Дефай активно співпрацює з різними компаніями для вивчення практичних застосувань технології, що є важливим кроком на шляху впровадження рішення. Показово, що регенератор був розроблений у співпраці з японською компанією-виробником Murata.
«Хоча ми вже досягаємо відчутного прогресу, ми постійно працюємо над підвищенням зрілості та практичності нашої технології. Кінцева мета — запропонувати життєздатну та стійку альтернативу поточним холодильним рішенням», — підсумовує д-р Дефай.
Доктор Дамієн Ленобл (Damien Lenoble), директор департаменту MRT, сказав: «Протягом останніх п’яти років вирішення проблем, пов’язаних з енергетикою, було визначено серед пріоритетів наших досліджень. Вкрай важливо продемонструвати застосування наших передових матеріалів у технологіях, які ефективно використовують енергію, виробляють і зберігають зелений водень, підвищують енергоефективність і знижують загальний попит на енергію. Перетворення досліджень найвищого рівня, проведених у LIST, у практичні та революційні технології є наріжним каменем для відновлення лідерства в промисловості Європи, дотримуючись найвищих екологічних стандартів. Ця конкретна технологія, розроблена під керівництвом доктора Еммануеля Дефая, є одним із кількох виняткових внесків LIST, які зміцнюють репутацію Люксембургу як центру дослідницьких інновацій із значною доданою вартістю як для країни, так і для Європи».
Лазери є основними інструментами для спостереження, виявлення та вимірювання речей у природному світі, які ми не можемо побачити неозброєним оком. Але здатність виконувати ці завдання часто обмежена необхідністю використання дорогих і великих інструментів.
У нещодавно опублікованій титульній статті в журналі Science дослідник Цюші Го (Qiushi Guo) демонструє новий підхід до створення високопродуктивних надшвидких лазерів на нанофотонних чіпах. Його робота зосереджена на мініатюризації лазерів із синхронізацією мод — унікального лазера, який випромінює серію ультракоротких когерентних світлових імпульсів із фемтосекундними інтервалами, що становить вражаючу квадрильйонну частку секунди.
Надшвидкісні лазери з синхронізованим режимом є незамінними для розкриття таємниць найшвидших часових масштабів у природі, таких як створення або розрив молекулярних зв’язків під час хімічних реакцій або поширення світла в турбулентному середовищі. Високошвидкісна, пікова інтенсивність імпульсу та широкий спектр охоплення лазерів із синхронізованим режимом також уможливили численні оптичні технології, включаючи оптичні атомні годинники, біологічні зображення та комп’ютери, які використовують світло для обчислення та обробки даних.
На жаль, найсучасніші лазери з синхронізованим режимом наразі є дорогими, енергоспоживаючими настільними системами, які обмежені лабораторним використанням.
«Наша мета — зробити революцію в галузі надшвидкої фотоніки, перетворивши великі лабораторні системи на системи розміром з мікросхему, які можна масово виробляти та розгортати в польових умовах, — сказав Го, викладач Ініціативи фотоніки Центру передових наукових досліджень CUNY та професор фізики в Центрі аспірантів CUNY. - Ми хочемо не тільки зменшити розміри, але й переконатися, що ці надшвидкісні лазери розміром із мікросхему забезпечують задовільну продуктивність. Наприклад, нам потрібна достатня пікова інтенсивність імпульсу, бажано понад 1 Вт, щоб створити значущі системи масштабування чіпа».
Однак реалізація ефективного лазера з синхронізованим режимом на мікросхемі не є простим процесом. Дослідження Го використовує нову матеріальну платформу, відому як тонкоплівковий ніобат літію (TFLN). Цей матеріал забезпечує дуже ефективне формування та точне керування лазерними імпульсами шляхом застосування зовнішнього радіочастотного електричного сигналу. У своїх експериментах команда Го унікальним чином поєднала високе лазерне підсилення напівпровідників III-V і ефективну здатність формування імпульсу нанорозмірних фотонних хвилеводів TFLN, щоб продемонструвати лазер, який може випромінювати високу вихідну пікову потужність 0,5 Вт.
Окрім компактних розмірів, продемонстрований лазер із синхронізованим режимом також демонструє багато інтригуючих властивостей, недоступних звичайним лазерам, що має значні наслідки для майбутніх застосувань. Наприклад, регулюючи струм накачування лазера, Го зміг точно налаштувати частоти повторення вихідних імпульсів у дуже широкому діапазоні 200 МГц. Застосовуючи сильні можливості реконфігурації продемонстрованого лазера, дослідницька група сподівається увімкнути гребінчасті джерела зі стабілізацією частоти, що є життєво важливими для точного зондування.
«Це досягнення прокладає шлях для використання мобільних телефонів для діагностики очних захворювань або аналізу харчових продуктів і навколишнього середовища на наявність кишкової палички та небезпечних вірусів, — сказав Го. - Це також може задіяти футуристичні атомні годинники в масштабі чіпа, які дозволять здійснювати навігацію, коли GPS скомпрометовано або недоступно».
Комп’ютерне бачення має широке застосування, включаючи автономне водіння, робототехніку, медичну діагностику та носимі пристрої.Ці завдання принципово обмежені споживанням енергії та швидкістю обчислення традиційних цифрових обчислювальних пристроїв.
Останнім часом фотонні обчислення стали одним із найбільш перспективних підходів до вирішення цих проблем.
Колектив науковців, до якого входили Ітун Чень (Yitong Chen), Маімаіті Нажамаіті (Maimaiti Nazhamaiti), Хан Сюй (Han Xu) та інші, запропонували повністю аналогову мікросхему, що поєднує електронні та світлові обчислення під назвою ACCEL (All-analog Chip Combining Electronic and Light computing), для енергоефективних і надшвидкісних завдань комп’ютерного зору з конкурентоспроможною продуктивністю та масштабованістю. Замість того, щоб звертатися до цифрових пристроїв для вирішення обмежень оптичних обчислень, ACCEL поєднує дифракційні оптичні аналогові обчислення (OAC) і електронні аналогові обчислення (EAC) з масштабованістю, нелінійністю та гнучкістю в одному чіпі.
Оскільки цифрові пристрої залишаються основним напрямком, завдання зору зазвичай вимагають перетворення оптичних сигналів навіть після оптичних обчислень у цифрові сигнали за допомогою великомасштабних фотодіодів і енергоємних АЦП для необхідної постобробки. В іншому випадку потрібна складна реалізація точної оптичної нелінійності та пам’яті, як правило, ціною затримки та енергоспоживання на системному рівні. Вчені розробили оптико-електронну гібридну архітектуру повністю аналоговим способом, щоб зменшити масивні АЦП для високошвидкісних і енергоефективних завдань зору з конкурентоспроможною продуктивністю. Освітлюючи цілі когерентним або некогерентним світлом, ми кодуємо інформацію у світлові поля. Завдяки загальній системі візуалізації ACCEL розміщується на площині зображення для безпосередньої обробки зображень, наприклад класифікації. Перша частина ACCEL, яка взаємодіє зі світловим полем, є багатошаровий дифракційний оптичний обчислювальний модуль OAC для отримання особливостей зображень високої роздільної здатності на швидкості світла, зменшуючи потребу в оптоелектронному перетворенні за рахунок зменшення розмірів повністю оптично. Фазові маски в OAC навчені обробляти дані, закодовані в світлових полях, за допомогою операцій скалярного добутку та дифракції світла, еквівалентних лінійним множенням матриці складного світлового поля.
Для OAC були інтегровані дифракційні оптичні обчислення безпосередньо перед EAC із певною відстанню для проведення виділення ознак як оптичного кодера.
Ще однією перевагою ACCEL є шумостійкість. Для практичних застосувань у задачах високошвидкісного зору надшвидка обробка зазвичай призводить до короткого часу експозиції. Це призводить до надзвичайно низького SNR через ударні шуми, шуми зчитування та електронні теплові шуми, які можуть стати вузьким місцем для фактичної швидкості обробки. ACCEL має суттєві переваги в стійкості до шуму завдяки створенню латентного простору функцій для конвергенції світла разом у локальних регіонах і зменшених АЦП для зниження шумів зчитування при розгляді шумів під час навчання.
ACCEL можна використовувати в широкому спектрі додатків, таких як переносні пристрої, автономне водіння та інспекції промисловості.
Фотографія експериментальної установки для тестування ACCEL з когерентным світлом
Нобелівську премію з хімії 2023 року отримали троє вчених за відкриття та синтез квантових точок, які допомогли здійснити революцію в нанотехнологіях.
Квантова точка (КТ, нанокристал, штучний атом) - фрагмент провідника або напівпровідника (наприклад InGaAs, CdSe, CdS або GaInP/InP), носії заряду (електрони або дірки) якого обмежені у просторі за всіма трьома вимірами. Розмір квантової точки має бути настільки малий, щоб квантові ефекти були суттєвими. Квантові точки широко використовуються в телевізійних екранах та світлодіодних лампах.
Премія порівну розподіляється між Мунгі Бавенді (Moungi Bawendi), Луїсом Брусом (Louis Brus) та Олексієм Єкімовим за відкриття унікальних властивостей наноматеріалів і способів їх виготовлення, що проклало шлях для широкого застосування в побутовій електроніці, біохімії та медицині.
Бавенді працює в Массачусетському технологічному інституті, Брус - в Колумбійському університеті, а Єкімов — головний науковий співробітник нью-йоркської компанії Nanocrystals Technology.
У хімії властивості матеріалу зазвичай визначаються його хімічним складом. Але коли матеріал має нанорозміри, як у випадку з квантовими точками, його розмір впливає на колір та інші властивості.
Це було відомо теоретично, але Єкімов зробив вирішальну експериментальну демонстрацію під час вивчення кольорового скла. Він визначив, що коли скло тонували хлоридом міді, його колір змінювався залежно від того, як довго і як гаряче воно нагрівалося. Рентгенівське зображення показало, що це сталося тому, що процес виробництва вплинув на розмір крихітних кристалів хлориду міді, які утворилися всередині скла. Відкриття Екімовим напівпровідникових квантових точок у скляній матриці показало, що можна спостерігати глибокі ознаки ефектів квантового розміру не лише в тонких плівках, але й у зважених незалежних наночастинках, отриманих відносно простим традиційним процесом виробництва скла. Публікація Олексія Єкімова про відкриття зʼявилася у 1981 році в радянському науковому журналі, але його дослідження не було широко відоме вченим по той бік залізної завіси.
Кілька років потому Луї Брус працював у Bell Laboratories у США, вивчаючи використання сонячної енергії для ведення хімічних реакцій крихітних частинок сульфіду кадмію, що плавають у розчині. Він помітив, що оптичні властивості частинок змінилися після того, як він на деякий час залишив їх на лабораторному столі, і припустив, що це тому, що частинки виросли. Він також зрозумів, що це пов’язано з квантовим ефектом, що залежить від розміру.
Брус представив модель, що описує вплив розміру частинок на окисно-відновні потенціали електронів і дірок для поверхневих хімічних реакцій. Використовуючи апроксимацію ефективної маси та потенціал сферичної моделі, а також враховуючи поляризацію навколишнього розчину, спричинену різницею діелектричної проникності між напівпровідником і розчином, вони передбачили вплив квантового розміру на фотохімічні окисно-відновні потенціали та на найнижчу енергію екситонів для напівпровідника. кристали розміром менше приблизно 5 нм. У подальшій роботі невдовзі після цього Брус також включив кулонівську взаємодію між електроном і діркою.
У 1993 році Мунгі Бавенді та його співробітники розробили метод синтезу квантових точок із набагато більш чітко визначеним розміром і високою оптичною якістю. Метод гарячого вприскування, розроблений Бавенді та його співробітниками, являє собою адаптовану та відтворювану хімічну стратегію для синтезу монодисперсних наночастинок з використанням широкого діапазону матеріальних систем. Цей метод дозволив отримати майже ідеальні частинки з контрольованим розміром і проклав шлях для їх більш широкого комерційного та медичного застосування.
Професор Гілл Рейд (Gillian Reid), президент Королівського хімічного товариства, сказала: «Визнання цієї роботи над квантовими точками є справді захоплюючим і показує, як хімію можна використовувати для вирішення низки проблем. Ці дивовижні наночастинки мають величезний потенціал для створення менших, швидших, розумніших пристроїв, підвищення ефективності сонячних панелей і яскравості екрана вашого телевізора».
«Велика наука отримує користь від різноманітних точок зору як частини колективних зусиль, і цьогорічна премія є чудовим прикладом цього: люди працюють у різних лабораторіях у різних країнах і підходять до проблеми з різних точок зору», — додала вона.
Гілл Рейд також відмітила, що командна робота є фундаментально важливим аспектом того, як насправді розвивається наука, і одним із найцікавіших!
Зліва направо: Мунгі Бавенді, Луїс Брус та Олексій Єкімов
