Материалы, которые сжимаются при нагревании, меняя цвет с черного на золотой, могут уберечь дорогую электронику от теплового повреждения.

Ученые создали материалы, которые при нагревании в обычных повседневных условиях равномерно сжимаются во всех направлениях, используя дешевый и промышленно масштабируемый процесс. Это потенциально открывает новую парадигму контроля теплового расширения, которая сделает электронные устройства более устойчивыми к изменениям температуры. Один из способов теплового повреждения электронного оборудования заключается в том, что компоненты расширяются с разной скоростью, что приводит к силам, вызывающим микротрещины и искажения. Пластиковые компоненты и печатные платы особенно подвержены повреждениям из-за изменений объема во время циклов нагрева и охлаждения. Но если бы материал мог быть включен в компоненты, которые компенсируют расширение, напряжения были бы уменьшены, и их срок службы увеличился бы. Всем известен один материал, который ведет себя так: жидкая вода расширяется, когда она замерзает, и лед сжимается, когда она тает. Но жидкая вода и электроника плохо смешиваются - вместо этого требуется твердое вещество с «отрицательным тепловым расширением» (NTE).

Хотя такие материалы известны с 1960-х годов, необходимо было решить ряд проблем, прежде чем концепция станет широко полезной и коммерчески жизнеспособной. С точки зрения как материалов, так и функций эти усилия имели ограниченный успех. Экспериментальные материалы были изготовлены в специализированных лабораторных условиях с использованием дорогостоящего оборудования; и даже в этом случае диапазоны температуры и давления, в которых они демонстрировали бы NTE, находились далеко за пределами обычных повседневных условий. Кроме того, величина расширения и сжатия зависела от направления, что вызывало внутренние напряжения, которые изменяли их структуру, а это означает, что свойство NTE не будет сохраняться дольше, чем несколько циклов нагрева и охлаждения.

Исследовательская группа во главе с проф. Коши Такенака (Koshi Takenaka) из Университета Нагоя смогла преодолеть эти проблемы материаловедения. Вдохновленный серией работ Нориаки Сато (Noriaki Sato), также из Нагойского университета, чье открытие в прошлом году сверхпроводимости в квазикристаллах было признано одним из десяти лучших физических открытий года журналом Physics World, проф. Такенака взял редкоземельный элемент самарий и его сульфид, моносульфид самария (SmS), который, как известно, меняет фазу с «черной» на «золотую» меньшего объема. Задача состояла в том, чтобы настроить диапазон температур, при которых происходит фазовый переход. Решение команды состояло в том, чтобы заменить небольшую часть атомов самария другим редкоземельным элементом, получая Sm1-xRxS, где «R» - это любой из редкоземельных элементов: церий (Ce), неодим (Nd), празеодим (Pr) или иттрий (Y).

Фракция х, используемая командой, обычно составляла 0,2, за исключением иттрия. Эти материалы показали «гигантское отрицательное тепловое расширение» - до 8% при обычном комнатном давлении и полезный диапазон температур (около 150 градусов), в том числе при комнатной температуре и выше. Здесь церий является звездным кандидатом, потому что он относительно дешевый.

Природа фазового перехода такова, что материалы могут быть напылены кристаллами очень маленьких размеров порядка микрона на поверхности без потери их свойства отрицательного расширения. Это увеличивает диапазон промышленного применения, особенно в электронике.

В то время как инженерные достижения группы Университета Нагоя впечатляют, с точки зрения фундаментальной физики, как работает отрицательное расширение, это увлекательно. Во время черно-золотого перехода кристаллическая структура остается той же самой, но атомы размещаются ближе друг к другу: размер элементарной ячейки становится меньше, потому что (как это очень вероятно, но, возможно, еще не определено на 100%) электронная структура атомов самария изменяется и они становятся меньше. Это процесс внутриатомного переноса заряда, называемый «валентным переходом» или «валентной флуктуацией» внутри атомов самария. «У меня сложилось впечатление, - говорит профессор Такенака, - что экспериментально подтверждена корреляция между объемом решетки и электронной структурой самария для этого класса сульфидов».

Более конкретно, в черной (с более низкой температурой) фазе электронная конфигурация атомов самария имеет вид (4f)6, что означает, что на их внешней оболочке 6 электронов на f-орбиталях (с заполненными s, p и d орбиталями), в то время как в золотой фазе электронная конфигурация имеет вид (4f)5(5d)1 - электрон перешел с орбитали 4f на орбиталь 5d. Хотя более высокая оболочка начинает заполняться вследствие принципа Паули, что во втором случае размер атома меньше, что приводит к уменьшению размера кристалла и отрицательному расширению.

Но это только часть фундаментальной картины. В черной фазе сульфид самария и его легированные ответвления являются изоляторами - они не проводят электричество; в то время как в золотой фазе они превращаются в проводники (то есть металлы). Это говорит о том, что во время черно-золотого фазового перехода зонная структура всего кристалла влияет на валентный переход внутри атомов самария. Хотя никто не делал теоретических расчетов для легированных сульфидов самария, сделанных группой проф. Такенака, предыдущее теоретическое исследование показало, что, когда электроны покидают орбиталь атомов самария, они оставляют позади положительно заряженную «дыру», которая сама отталкивает от дырок в зоне проводимости кристалла, влияющих на их обменное взаимодействие. Это становится кооперативным эффектом, который затем управляет валентным переходом в атомах самария. Точный механизм, однако, не совсем понятен.

Тем не менее, достижения группы, возглавляемая Нагойским университетом, является инженерным, а не чисто физическим. «Для многих инженеров важна возможность использовать материал для уменьшения поломок устройства из-за теплового расширения, - объясняет проф. Такенака. - Короче говоря, в определенном температурном диапазоне, в котором работает предполагаемое устройство, обычно интервал в десятки градусов или более, объем должен постепенно уменьшаться с ростом температуры и увеличиваться с падением температуры. Конечно, я также знаю, что объемное расширение при охлаждении во время фазового перехода [например, замерзания воды] является распространенным случаем для многих материалов, однако, если объем изменяется в очень узком температурном диапазоне, то это не представляет никакой технической ценности, являясь результатом материаловедения, а не чистой физики».

Возможно, это даже предвещает новый "золотой" век для электроники

Компьютеры и аналогичные электронные устройства стали быстрее и меньше за десятилетия, так как производители компьютерных микросхем научились уменьшать отдельные транзисторы.

Погоня ученых за наименьший из возможных транзисторов позволила упаковывать большее количество из них в каждый чип. Но эта гонка почти закончена: исследователи быстро приближаются к физическому минимуму для размера транзистора, с недавними моделями до приблизительно 10 нанометров - или только 30 атомов - в ширину.

«Мощность обработки электронных устройств исходит от сотен миллионов или миллиардов транзисторов, которые соединены в единый компьютерный чип, - сказал доктор Кенджо Чо (Kyeongjae Cho), профессор материаловедения и инженерии в Техасском университете (UT) в Далласе. - Но мы быстро приближаемся к нижним пределам масштаба».

Чтобы расширить поиски более быстрой скорости обработки, индустрия микроэлектроники ищет альтернативные технологии. Исследование д-ра Чо, опубликованное онлайн в журнале Nature Communications, может предложить решение путем расширения словарного запаса транзистора.

Обычные транзисторы могут передавать только два бита информации: являясь переключателем, транзистор либо включен, либо выключен, что дает 1 и 0 двоичного алфавита.

Одним из способов увеличения производительности обработки без добавления дополнительных транзисторов было бы увеличение объема информации, передаваемой каждым транзистором, путем введения промежуточных состояний между состояниями включения и выключения двоичных устройств. Основанный на этом принципе так называемый многозначный логический транзистор позволил бы обрабатывать больше операций и большее количество информации в одном устройстве.

«Концепция многозначных логических транзисторов не нова, и было много попыток сделать такие устройства, - сказал д-р Чо. - Мы сделали это».

С помощью теории, дизайна и моделирования группа Чо в UT в Далласе разработала фундаментальную физику многозначного логического транзистора на основе оксида цинка. Их сотрудники в Южной Корее успешно изготовили и оценили характеристики прототипа устройства.

Устройство Чо способно к двум электрически стабильным и надежным промежуточным состояниям между 0 и 1, увеличивая число логических значений на транзистор с двух до трех или четырех.

Д-р Чо сказал, что новое исследование является важным не только потому, что технология совместима с существующими конфигурациями компьютерных чипов, но также и потому, что оно может преодолеть разрыв между современными компьютерами и квантовыми компьютерами, что является потенциальной следующей вехой в мощности вычислений.

В то время как обычный компьютер использует точные значения 1 и 0 для выполнения вычислений, основные логические единицы квантового компьютера являются более размытыми, причем значения могут существовать в виде комбинации 1 и 0 одновременно или быть любыми между ними. Несмотря на то, что коммерческие квантовые компьютеры еще предстоит реализовать, теоретически они способны хранить больше информации и решать определенные проблемы гораздо быстрее, чем современные компьютеры.

«Устройство, включающее многоуровневую логику, будет быстрее, чем обычный компьютер, поскольку оно будет работать не только с двоичными логическими значениями. С квантовыми величинами у вас есть непрерывные значения, - сказал Чо. - Транзистор - очень зрелая технология, и квантовые компьютеры еще далеко не готовы к коммерциализации. Существует огромный разрыв. Итак, как нам перейти от одного к другому? Нам нужен какой-то эволюционный путь, технология соединения между двоичными и бесконечными степенями свободы. Наша работа по-прежнему основана на технологии существующих устройств, поэтому не такой революционная, как квантовые вычисления, но оан развивается в этом направлении».

Технология, которую д-р Чо и его коллеги разработали, использует новую конфигурацию двух форм оксида цинка, объединенных для формирования композитного нанослоя, который затем объединяется со слоями других материалов в сверхрешетку.

Исследователи обнаружили, что они могут достичь физики, необходимой для многозначной логики, встраивая кристаллы оксида цинка, называемые квантовыми точками, в аморфный оксид цинка. Атомы, составляющие аморфное твердое вещество, не так жестко упорядочены, как в кристаллических твердых телах.

«Создавая этот материал, мы обнаружили, что можем создать новую электронную структуру, которая обеспечит такое многоуровневое логическое поведение, - сказал д-р Чо, подавший заявку на патент. - Оксид цинка - это хорошо известный материал, который имеет тенденцию образовывать как кристаллические, так и аморфные твердые вещества, поэтому с самого начала это был очевидный выбор, но это может быть не самый лучший материал. Нашим следующим шагом будет рассмотрение того, насколько универсальным является такое поведение. среди других материалов, поскольку мы пытаемся оптимизировать технологию. Двигаясь вперед, нужно также посмотреть, как мы можем связать эту технологию с квантовым устройством».

Квантово-электродинамический процесс фотон-фотонного рассеяния впервые был подтвержден экспериментально с высокой степенью достоверности.

Сотрудничество CERN с ATLAS, в котором участвуют сотни физиков со всего мира, совершило прорыв после анализа большого набора данных о кандидатах событий рассеяния с помощью нейронной сети. Их открытие может способствовать новым исследованиям в различных теориях, выходящих за рамки Стандартной модели физики элементарных частиц.

В классической электродинамике фотоны не могут взаимодействовать друг с другом, потому что у них нет заряда. В то же время, однако, квантовая электродинамика предсказывает, что два фотона могут рассеиваться друг на друге путем обмена виртуальными заряженными фермионами или W-бозонами. Некоторые теоретические расширения Стандартной модели предсказывают, что эти события рассеяния чувствительны к еще не подтвержденным частицам, включая аксионы и магнитные монополи.

Чтобы проверить эти теории, физики на Большом адронном коллайдере (LHC) в ЦЕРН попытались вызвать фотон-фотонное рассеяние, направляя тяжелые ионы навстречу друг другу на релятивистских скоростях. Когда они проходят все ближе и ближе друг к другу, ионы обмениваются все большим количеством виртуальных фотонов. Если рассеяние происходит между любыми двумя из этих фотонов, ионная пара потеряет небольшое количество энергии и испустит пару реальных фотонов. Эти световые вспышки будут затем уловлены противоположными сторонами детектора, раскрывая характеристики исходного события рассеяния.

В 2017 году в сотрудничестве ATLAS и CMS, базирующемся на LHC, был проведен поиск экспериментальных данных наличия этих фотонных пар во время столкновений между ионами свинца высоких энергий, которые они зафиксировали в 2015 году. Из 13 событий-кандидатов эксперименты сообщили о фотон-фотонном рассеянии с точностью до 4,4σ и 4,1σ соответственно - что не соответствует общепринятому порогу достоверности 5σ, необходимому для подтверждения экспериментального открытия.

Сотрудничество ATLAS теперь повторило эксперимент, используя гораздо больший набор данных из 59 возможных событий-кандидатов рассеяния, собранных в ходе еще более обширной серии столкновений ионов свинца, проведенной в 2018 году. Кроме того, они разработали нейронную сеть для более эффективного различения пары фотонов, которые указывают на эти события рассеяния от всех фоновых фотонов, собранных детектором. Это позволило команде существенно повысить достоверность до 8,2σ, что значительно превышает принятый порог.

Несколько недавних теорий предсказали, что измерения фотон-фотонного рассеяния могут быть чувствительными к явлениям, выходящим за рамки Стандартной модели. К ним относятся частицы, содержащие только один магнитный полюс, который запрещен классической электродинамикой, а также аксионы, введенные теорией для решения сильной проблемы CP квантовой хромодинамики. Таким образом, открытия сотрудничества ATLAS могли бы послужить основой для будущих исследований, направленных на подтверждение и ограничение этих теорий, что может привести к долгожданным обновлениям Стандартной модели.

Видно, что свет рассеивает свет

Исследователи из Калифорнийского университета в Сан-Диего разработали, как они утверждают, самое тонкое оптическое устройство в мире, волновод толщиной всего в три слоя атомов.

Работа является доказательством концепции уменьшения оптических устройств до размеров, которые на несколько порядков меньше, чем у современных устройств. Это может привести к созданию фотонных чипов с большей плотностью и большей емкостью.

Новый волновод имеет толщину примерно в шесть ангстрем - это более чем в 10000 раз тоньше, чем обычное оптическое волокно, и примерно в 500 раз тоньше, чем встроенные оптические волноводы в интегральных фотонных схемах. Он состоит из монослоя дисульфида вольфрама (состоящего из одного слоя атомов вольфрама, расположенного между двумя слоями атомов серы), подвешенного на кремниевой рамке. Монослой также имеет массив наноразмерных отверстий, образующих фотонный кристалл.

«По сути, мы демонстрируем предельный предел того, насколько тонким может быть оптический волновод», - сказал старший автор Эртугрул Кубукку (Ertugrul Cubukcu), профессор наноинженерии и электротехники в Калифорнийском университете в Сан-Диего.

Что особенного в этом монослойном кристалле, так это то, что он поддерживает пары электрон-дырка, известные как экситоны, при комнатной температуре. Эти экситоны генерируют сильный оптический отклик, давая кристаллу показатель преломления, который примерно в четыре раза больше, чем у окружающего его поверхности воздуха. Для сравнения, другой материал с такой же толщиной не имел бы такой высокий показатель преломления. Когда свет проходит через кристалл, он попадает внутрь и направляется вдоль плоскости посредством полного внутреннего отражения. Это основной механизм работы оптического волновода.

Еще одна особенность заключается в том, что волноводные каналы освещают в видимом спектре. «Это сложно сделать в таком тонком материале, - сказал проф. Кубукку. - Ранее волновод был продемонстрирован с графеном, который также атомно тонок, но на инфракрасных длинах волн. Мы впервые продемонстрировали волновод в видимой области». Наноразмерные отверстия, выгравированные в кристалле, позволяют рассеивать свет перпендикулярно плоскости, чтобы его можно было наблюдать и исследовать. Этот массив отверстий создает периодическую структуру, которая делает кристалл также двойным резонатором.

«Это также делает его самым тонким оптическим резонатором для видимого света, который когда-либо был продемонстрирован экспериментально, - сказал первый автор Синванг Чжан, который работал над этим проектом в качестве постдокторского исследователя в лаборатории Кубукку в Калифорнийском университете в Сан-Диего. - Эта система не только резонансно усиливает взаимодействие света с веществом, но также служит решетчатым соединителем второго порядка для подачи света в оптический волновод».

Для создания волновода были использованы передовые методы микро- и нанообработки. Процесс начинается с тонкой мембраны из нитрида кремния, поддерживаемой кремниевой рамкой. Это подложка, на которой построен волновод. Затем массив наноразмерных отверстий формируется в мембране для создания шаблона. Затем на мембрану наносится монослой кристалла дисульфида вольфрама. Ионы затем посылаются через мембрану, чтобы вытравить ту же схему отверстий в кристалле. На последнем этапе мембрана из нитрида кремния осторожно вытравливается, оставляя кристалл подвешенным на кремниевой рамке. В результате получается оптический волновод, в котором ядро состоит из однослойного фотонного кристалла дисульфида вольфрама, окруженного материалом (воздухом) с более низким показателем преломления.

В дальнейшем команда продолжит исследовать фундаментальные свойства и физику, относящиеся к волноводу.

Иллюстрация монослоя кристалла дисульфида вольфрама, подвешенного на воздухе и украшенного квадратной решеткой из наноотверстий. При лазерном возбуждении монослойный кристалл испускает фотолюминесценцию. Часть этого света соединяется с монослойным кристаллом и направляется вдоль материала. В решетке из наноотверстий периодическая модуляция в показателе преломления заставляет небольшую часть света распадаться из плоскости материала, что позволяет наблюдать свет как резонанс в управляемой моде.

Прорыв в понимании того, как ведут себя квазичастицы, известные как магнитные монополи, может привести к разработке новых технологий для замены электрических зарядов.

Исследователи из Кентского университета применили комбинацию квантовой и классической физики, чтобы исследовать, как магнитные атомы взаимодействуют друг с другом, образуя сложные объекты, известные как «магнитные монополи».

Основываясь на исследовании материалов, известных как спиновый лед, команда показала, как можно добиться «прыжка» монополя с одного узла в кристаллической решетке спинового льда на другой, переключив направление одного магнитного атома.

Хотя в теории при низких температурах магнитным атомам не хватает энергии для этого, команда обнаружила, что, когда монополь прибывает в узел решетки, он вызывает изменения в полях, действующих на окружающие его магнитные атомы, которые позволяют им «туннелировать» через энергетический барьер.

Доктор Кинтанилья (Quintanilla) из Школы физических наук Университета сказал: «Мы нашли доказательства того, что это таинственное низкотемпературное скачкообразное изменение достигается посредством квантового туннелирования: феномена, который позволяет квантовому объекту преодолевать препятствие, которое, согласно классическим законам физики, требует больше энергии, чем система имеет в своем распоряжении. Мы показали, что магнитные атомы, образующие монополь, испытывают поля, поперечные их собственным, которые, в свою очередь, вызывают туннелирование. Мы рассчитываем скорости прыжков монополя, вытекающие из этого сценария, и находим их в целом соответствующими имеющимся наблюдениям».

Исследователи предполагают, что это лучшее понимание движения монополя в материалах со спиновым льдом может позволить использовать будущие технологии, основанные на движущихся магнитных монополях, а не на электрических зарядах.

Есть много способов производства электричества, для примера, батареи, солнечные батареи, ветряные турбины и гидроэлектростанции, ... а теперь есть ржавчина.

Новое исследование, проведенное учеными из Калифорнийского технологического института и Северо-Западного университета, показывает, что тонкие пленки ржавчины - оксида железа - могут генерировать электричество, когда над ними течет соленая вода. Эти пленки представляют совершенно новый способ производства электричества и могут быть использованы для разработки новых форм устойчивого производства электроэнергии.

Взаимодействия между соединениями металлов и соленой водой часто генерируют электричество, но это обычно является результатом химической реакции, в которой одно или несколько соединений превращаются в новые соединения. Подобные реакции - вот что работает внутри батарей.

Напротив, явление, открытое Томом Миллером (Tom Miller), профессором химии в Калифорнийском технологическом институте, и Францем Гейгером (Franz Geiger), профессором химии в Северо-западном регионе, не связано с химическими реакциями, а скорее превращает кинетическую энергию протекающей соленой воды в электричество.

Явление, электрокинетический эффект, ранее наблюдалось в тонких пленках графена - листах атомов углерода, расположенных в гексагональной решетке, - и это удивительно эффективно - 30% при преобразовании кинетической энергии в электричество. Для справки, лучшие солнечные панели показывают только 20%.

«Подобный эффект был замечен и в некоторых других материалах. Вы можете взять каплю соленой воды и протащить ее через графен и увидеть генерируемое электричество», - говорит Миллер.

Однако сложно изготовить графеновые пленки и масштабировать их до приемлемых размеров. Миллер говорит, что пленки оксида железа, обнаруженные им и Гейгером, относительно просты в изготовлении и могут масштабироваться до больших размеров.

«Это в основном просто ржавчина на железе, поэтому его довольно легко сделать на больших площадях, - говорит Миллер. - Это более надежная реализация того, что можно увидеть в графене».

Хотя ржавчина на железных сплавах будет образовываться сама по себе, команда должна была обеспечить ее постоянное образование в тонком слое. Для этого они использовали процесс, называемый физическим осаждением из паровой фазы (PVD), который превращает обычно твердые материалы, в данном случае оксид железа, в пар, который конденсируется на желаемой поверхности. PVD позволил им создать слой оксида железа толщиной 10 нанометров, примерно в 10 тысяч раз тоньше человеческого волоса.

Когда они взяли железо, покрытое ржавчиной, и пустили по нему растворы соленой воды с различными концентрациями, они обнаружили, что оно генерирует несколько десятков милливольт и несколько микроампер на кв. см.

«В перспективе плиты площадью 10 квадратных метров каждая будут генерировать несколько киловатт в час - этого достаточно для стандартного дома в США, - говорит Миллер. - Конечно, менее требовательные приложения, в том числе устройства с низким энергопотреблением в удаленных местах, являются более перспективными в ближайшем будущем».

Механизм генерации электричества сложен, включает в себя ионную адсорбцию и десорбцию, но по сути он работает следующим образом: ионы, присутствующие в соленой воде, притягивают электроны в железе под слоем ржавчины. Поскольку соленая вода течет, то эти ионы посредством силы притяжения увлекают электроны в железе вместе с собой, генерируя электрический ток.

Миллер говорит, что этот эффект может быть полезен в определенных сценариях, где есть движущиеся солевые растворы, например, в океане или человеческом теле.

«Например, приливная энергия или что-то качающееся в океане, например, буи могут быть использованы для пассивного преобразования электрической энергии, - говорит он. - В ваших венах с периодическими импульсами течет соленая жидкость. Это может быть использовано для выработки электроэнергии для питания имплантатов».

Исследователи смогли обнаружить что набрано на клавиатуре с удивительной точностью, используя только смартфон.

Вы, вероятно, знаете, что нужно избегать подозрительных электронных писем, чтобы хакеры не собирали личную информацию с вашего компьютера. Но новое исследование, проведенное Южным методистским университетом (SMU), показывает, что можно получить доступ к вашей информации гораздо более тонким способом: с помощью находящегося поблизости смартфона, перехватывающего звук вашей печати.

Исследователи из Института кибербезопасности Дарвина Дизона при SMU обнаружили, что акустические сигналы, или звуковые волны, генерируемые при наборе текста на клавиатуре компьютера, могут быть успешно уловлены смартфоном. Звуки, перехваченные телефоном, можно затем обработать, что позволит опытному хакеру расшифровать, какие клавиши были нажаты, и что они печатали.

Исследователи смогли расшифровать большую часть того, что печаталось, используя обычные клавиатуры и смартфоны, даже в шумном конференц-зале, наполненном звуками других людей, которые печатали и разговаривали.

«Мы смогли уловить то, что печатают люди, с точностью до 41% слов. И мы можем увеличить это выше 41%, если мы посмотрим, скажем, на 10 лучших слов того, что, по нашему мнению, может быть», - сказал Эрик С. Ларсон (Eric C. Larson), один из двух ведущих авторов статьи и доцент кафедры компьютерных наук школы Lyle в SMU.

Для получения информации о том, что вы печатаете, может потребоваться всего несколько секунд, отметил ведущий автор Митч Торнтон (Mitch Thornton), директор Института Дизона и профессор электротехники и вычислительной техники.

«Исходя из того, что мы обнаружили, я думаю, что производителям смартфонов придется вернуться к чертежной доске и убедиться, что они улучшают конфиденциальность, с которой люди имеют доступ к этим датчикам в смартфоне», - сказал Ларсон.

Исследователи хотели создать сценарий, который будет имитировать то, что может произойти в реальной жизни. Поэтому они собрали несколько человек в конференц-зале, разговаривали друг с другом и делали записи на ноутбуке. По словам Торнтона, на одном столе с ноутбуком или компьютером было восемь мобильных телефонов, которые находились на расстоянии от трех дюймов до нескольких футов от компьютера.

Участники исследования не получили сценарий того, о чем им говорить, и им было позволено использовать сокращенные или полные предложения при наборе текста. Им также было разрешено либо исправлять машинописные ошибки, либо оставлять их по своему усмотрению.

«Мы искали дыры в безопасности, которые могут существовать, когда у вас есть эти постоянно включенные сенсорные устройства - это ваш смартфон, - сказал Ларсон. - Мы хотели понять, может ли то, что вы печатаете на своем ноутбуке или на любой клавиатуре, восприниматься только теми мобильными телефонами, которые находятся на одном столе. Ответ был определенным: «Да».

«В смартфонах есть много типов датчиков, которые позволяют ему определять свою ориентацию и обнаруживать, когда он находится на столе или лежит в чьем-то кармане. Некоторые датчики требуют, чтобы пользователь дал разрешение на их включение, но многие из них всегда включены, - объяснил Торнтон. - Мы использовали датчики, которые всегда включены, поэтому все, что нам нужно было сделать, это разработать новое приложение, которое обрабатывало бы выходной сигнал датчика, чтобы предсказать нажатие клавиши пользователем».
Однако есть некоторые пояснения.

«Злоумышленнику нужно знать тип материала стола», - сказал Ларсон, потому что разные столешницы создают разные звуковые волны при вводе текста. Например, деревянный стол, подобный тому, который использовался в этом исследовании, звучит иначе, чем когда кто-то печатает на металлической столешнице.

Ларсон сказал: «Злоумышленнику также понадобится узнать, есть ли на столе несколько телефонов, и как сделать выборку из них».

Торнтон отметил, что успешный перехват такого рода может быть очень пугающим, потому что «нет никакого способа узнать, что вас так взломали».

Международная команда, возглавляемая Александром Холляйтнером (Alexander Holleitner) и Джонатаном Финли (Jonathan Finley), физиками из Технического университета Мюнхена (TUM), преуспела в размещении источников света в слоях атомарно тонкого материала с точностью в несколько нанометров. Новый метод позволяет использовать множество приложений в квантовых технологиях, от квантовых датчиков и транзисторов в смартфонах до новых технологий шифрования для передачи данных.

Предыдущие схемы на чипах полагаются на электроны как носители информации. В будущем фотоны, которые передают информацию со скоростью света, смогут выполнять эту задачу в оптических цепях. Квантовые источники света, которые затем соединяются с квантовыми волоконно-оптическими кабелями и детекторами, необходимы в качестве основных строительных блоков для таких новых чипов.

«Это первый шаг к оптическим квантовым компьютерам, - говорит Джулиан Кляйн (Julian Klein), ведущий автор исследования. - Потому что для будущих применений источники света должны быть связаны с фотонными цепями, например, волноводами, чтобы сделать возможными квантовые вычисления на основе света».

Критическим моментом здесь является точное и точно контролируемое размещение источников света. Можно создать квантовые источники света в обычных трехмерных материалах, таких как алмаз или кремний, но они не могут быть точно размещены в этих материалах.

Затем физики использовали слой полупроводникового дисульфида молибдена (MoS2) в качестве исходного материала, толщиной всего три атома. Они облучили образец пучком ионов гелия, сфокусировав его на поверхности площадью менее одного квадратного нанометра.

Для создания оптически активных дефектов нужные квантовые источники света, атомы молибдена или серы, точно выбиваются из слоя. Дефекты представляют собой ловушки для экситонов, электронно-дырочных пар, которые затем испускают нужные фотоны.

Технически, для этого центральное значение имел новый гелиево-ионный микроскоп в Центре нанотехнологий и наноматериалов Института Уолтера Шоттки, который был использован для облучения такого материала с беспрецедентным боковым разрешением.

Совместно с теоретиками из TUM, Общества Макса Планка и Бременского университета команда разработала модель, которая также теоретически описывает энергетические состояния, наблюдаемые при дефектах.

В будущем исследователи хотят создавать более сложные структуры источников света, например, в поперечных двумерных решетчатых структурах, чтобы таким образом исследовать многоэкситонные явления или свойства экзотических материалов.

Это экспериментальные ворота в мир, который долгое время теоретически описывался только в контексте так называемой модели Бозе-Хаббарда, стремящейся объяснить сложные процессы в твердых телах.

Прогресс может быть достигнут не только в теории, но и в отношении возможных технологических применений. Поскольку источники света всегда имеют один и тот же дефект в материале, они теоретически неразличимы. Это учитывает приложения, которые основаны на квантово-механическом принципе запутывания.

«Можно очень элегантно интегрировать наши квантовые источники света в фотонные схемы, - говорит Кляйн. - Благодаря высокой чувствительности можно, например, создавать квантовые датчики для смартфонов и разрабатывать чрезвычайно безопасные технологии шифрования для передачи данных».

Дефекты в тонких слоях сульфида молибдена, создаваемые бомбардировкой ионами гелия, могут служить наноисточниками света для квантовых технологий

Сотрудничество Университета Вуллонгонга (UOW) и Университета Монаш нашло свидетельство новой фазы вещества, предсказанной в 1960-х годах: экситонный изолятор.

Уникальные сигнатуры экситонной изолирующей фазы наблюдались в наночешуйках сурьмы Sb (110).

Полученные данные обеспечивают новую стратегию для поиска большего количества экситонных изоляторов, которые потенциально способны проявлять сверхтекучесть экситонов.

«Открытие новых фаз материи является одной из основных задач физики конденсированных сред и важно для разработки новых технологий для низкоэнергетической электроники, что является главной целью центра ARC во FLEET», - говорит проф. Сяолинь Ван (Xiaolin Wang) из UOW.

«В 1960-х годах было предложено, чтобы в небольших материалах с непрямой запрещенной зоной экситоны могли образовываться спонтанно, поскольку плотность носителей слишком мала, чтобы экранировать кулоновское притяжение между электронами и дырками», - сказал д-р Чжи Ли (Zhi Li), первый автор и в настоящее время сотрудник FLEET AI и ARC DECRA, работающий под руководством проф. Вана.

Результатом является новая сильно взаимодействующая изолирующая фаза, известная как экситонный изолятор.

Помимо изоляторов с запрещенной зоной, другие изолирующие состояния могут возникать вследствие эффектов межэлектронных взаимодействий или беспорядка, связанного с квантовым взаимодействием.

Экситонный изолятор, новая фаза вещества в критической точке перехода между изолятором и металлом, был предложен в 1960-х годах многими пионерами в физике конденсированных сред.

В экситонном изоляторе физические свойства определяют бозонные частицы, а не электроны.

Было предсказано, что экситонные изоляторы обладают многими новыми свойствами, в том числе кристаллизованным экситонием, сверхтекучестью и высокотемпературной экситонной сверхпроводимостью, и открытия в этом новом классе изоляторов привлекли пристальное внимание физиков конденсированных сред и ученых, занимающихся двумерными материалами.

Исследовательская группа использовала сканирующую туннельную микроскопию (STM) и спектроскопию (STS), чтобы показать, что усиленное кулоновское взаимодействие квантовых наночастиц элементарной сурьмы приводит систему в состояние экситонного изолятора.

Непосредственно наблюдалась уникальная особенность экситонного изолятора - волны плотности заряда (ВПЗ) без периодического искажения решетки. Кроме того, STS показывает зазор, вызванный ВПЗ вблизи поверхности Ферми.

Эти наблюдения позволяют предположить, что наночешуйки сурьмы (Sb (110)) является экситонным изолятором.

Экситоны, которые являются бозонными, сильно связанными парами электронов и дырок, образуются в результате притягивающего кулоновского взаимодействия электрон-дырка, понижающего энергию системы на величину энергии связи (Eb).

Если бы такие экситоны могли образоваться спонтанно, то результатом была бы фаза экситонного изолятора.

В полупроводниках или изоляторах образование экситона требует преодоления энергии запрещенной зоны Eg, необходимой для создания пары электрон-дырка. Спонтанное образование экситонов требует, чтобы Eb> Eg. Однако Eg обычно намного больше, чем Eb в полупроводниках и изоляторах, что предотвращает спонтанное образование экситонов.

В этой работе исследователи воспользовались сильным кулоновским взаимодействием в очень тонких материалах для продвижения фазы экситонного изолятора в сурьме.

До настоящего времени многие материалы, показывающие ВПЗ, были идентифицированы как кандидаты в экситонные изоляторы.

К сожалению, эти потенциальные экситонные изоляторы демонстрируют сильное периодическое искажение решетки, что указывает на то, что ВПЗ была вызвана электрон-фононной связью, а не экситонными состояниями диэлектрика.

Новое исследование дает убедительные доказательства существования фазы экситонного изолятора в наночешуйках сурьмы.

Три типа изоляторов. (а) Изоляторы с запрещенной зоной на поверхности Ферми, включающие ленточные изоляторы, изоляторы Мотта и изоляторы Андерсона. (б) Топологические изоляторы, где внутри запрещенной зоны имеются топологически защищенные поверхностные состояния. (в) Экситонные изоляторы, где электроны и дырки связаны вместе и образуют экситоны на поверхности Ферми

Этот вопрос обусловлен тем, что MRAM предлагает несколько характеристик, которые могут сделать ее полезной в качестве памяти для широкого круга приложений.

Такой характеристикой является, в частности, задержка, которая существенна для многих приложений. К примеру, Amazon обнаружила, что каждые 100 мс задержки стоили им 1% в продажах.

Одним из распространенных современных применений автономных чипов MRAM является кэширование и буферы для улучшения времени отклика и, следовательно, задержки других запоминающих устройств. Помимо обеспечения быстрого кэширования, MRAM также является энергонезависимой и, таким образом, не требует резервного питания для сохранения данных при отключении напряжения.

Поскольку MRAM может снизить задержку для различных устройств, она может помочь в ЦОД, на границе сетей, а также в конечных точках сети. Низкая латентность может быть особенно важной для высокоскоростных беспроводных сетей, таких как 5G, которые становятся все более распространенными. Во многих из этих приложений используются батареи или другие ограниченные по ресурсам источники питания, и энергонезависимая MRAM здесь особенно полезна.

Современная технология MRAM с переносом спинового момента (Spin Transfer Torque, STT) может заменить SRAM в компьютерных приложениях L4 и L3 для кэширования, а новая технология MRAM с использованием спин-орбитального вращательного момента (Spin Orbit Torque, SOT) может повысить производительность MRAM, поэтому она может использоваться в приложениях L1 и L2.

В число дискретных продуктов MRAM входят системы RAID, контроллеры SSD и HDD и многобайтные буферы внешнего интерфейса (например, используемые в высокопроизводительных твердотельных накопителях). Однако наибольший рост MRAM, как считается, будет достигнут за счет использования ее во встроенных приложениях.

Технологические успехи в производстве STT MRAM дают основание полагать, что в течение 5 лет она обеспечит возможности, подобные DRAM: быстрый произвольный доступ без снижения срока жизни, 10 лет хранения данных и работу в сложных условиях, таких как в автомобилях.

Рост MRAM поддерживается многими поставщиками полупроводникового оборудования, такими как Applied Materials, Canon Anelva, Hitachi, Lam и TEL.

Отчет Emerging Memories are Ramping Up за 2019 г. прогнозирует продажи дискретной MRAM в объеме 4 млрд. долл. к 2029 г. с дополнительным использованием во многих встроенных приложениях.

Спрос есть, и он обусловливает создание инфраструктуры, которая может превратить MRAM в универсальную память.

Продукты MRAM на MRAM Development Day