За последние несколько десятилетий индустрия DRAM единодушно следовала единой дорожной карте в поисках памяти высокой плотности, начиная с асинхронной DRAM и заканчивая синхронной DRAM DDR5.

В отличие от этого, на выставке CES компания Etron Technology (Синьчжу, Тайвань) показала, что вместо традиционного пути она составляет альтернативную дорожную карту с совершенно новой архитектурой DRAM под названием «DRAM с уменьшенным числом выводов» (Reduced Pin Count, RPC).
Генеральный директор Etron Ники Лу (Nicky Lu) утверждал, что предлагаемая RPC DRAM, которая использует только половину контактов, может привести как миниатюризации, так и к сокращению расходов. Он представил RPC DRAM как идеальное решение для миниатюрных носимых устройств и подсистем ИИ конечных точек. С DDR4 многие компании, разрабатывающие сегодня небольшие носимые устройства, должны покупать больше, чем им нужно, добавил Лу. «Для многих разработчиков небольших систем DDR4 является излишним».

Точнее, RPC DRAM от Etron имеет полосу пропускания x16 DDR3, но использует только 22 переключающих сигнала в корпусе с 40-контактной шариковой матрицей выводов с масштабируемой упаковкой на пластине (40-ball Fan-In Wafer Level Chip Scale Package, FI-WLCSP). RPC DRAM предложит «емкость и пропускную способность DDR4 без ее сложности и стоимости», - заявила Etron.

Джим Хэнди (Jim Handy), аналитик из Objective Analysis, сказал: «Что-то интересное в DRAM заключается в том, что крупные производители фокусируются исключительно на деталях, которые продаются сотнями миллионов и миллиардами единиц в год». Он заметил: «Это создает возможности для таких компаний, как Etron, при условии, что они могут приложить усилия для определения рынков, которые не очень хорошо обслуживаются товарной DRAM, и производить детали, которые удовлетворяют потребности этих рынков. Это как пример».

Отвечая на вопрос, для решения каких проблем предназначена RPC DRAM, Джим Хэнди ответил: «В основном это касается экономии денег и / или пространства». Он отметил: «Etron приводит убедительные аргументы в пользу того, что RPC позволит сэкономить на обеих DRAM (позволяя компаниям покупать детали с меньшей плотностью) и FPGA или SoC за счет уменьшения количества контактов ввода/вывода или поддержки логических матриц меньшего размера».

Джим Хэнди добавил: «Я всегда считал, что экономия средств является наиболее убедительным аргументом для любого нового продукта».

RPC DRAM - это не просто «концепция» новой архитектуры DRAM. На выставке CES Etron сообщила, что уже сотрудничает с Lattice Semiconductor, чтобы продемонстрировать совместимость решения Lattice EPC5 FPGA и RPC DRAM Etron.

Гордон Хэндс (Gordon Hands), директор по маркетингу продуктов в Lattice, пояснил: «Пользователи многих чипов, включая FPGA, высоко ценят количество контактов ввода/вывода. Это часто является ограничивающим ресурсом для дизайнеров. Устраняя необходимость в отдельных управляющих и адресных выводах, память Etron RPC экономит этот дефицитный ресурс».

Хэндс также сказал, что с момента создания бренда ECP Lattice сосредоточилась на предоставлении большей пропускной способности FPGA на логическую емкость, чем другие FPGA среднего уровня стоимости. Это поставляется с предварительно разработанными элементами в кольце ввода/вывода, которые позволяют разработчикам реализовать интерфейсы памяти DDR. Компания повторно использовала эти элементы для поддержки RPC Etron».

Итак, насколько сильно этот тип новой архитектуры памяти нужен OEM-производителям и разработчикам ASIC? Существуют ли альтернативные решения для RPC DRAM?

Джим Хэнди пояснил: «В настоящее время в проектах, которым не нужна большая плотность существующей DRAM, часто используется SRAM, но это довольно дорого». Он отметил: «DRAM с низкой плотностью - это еще один вариант, но она использует более широкие интерфейсы, чем требуются для большинства конструкций».

По мнению Хэнди, «RPC обещает ... заменить оба эти решения на более экономичное».

RPC DRAM выпускается в различных корпусах

Исследователи обнаружили универсальное уравнение, которое должно проложить путь к лучшему дизайну электроники на основе 2D-материалов.

Диод Шоттки состоит из металла, контактирующего с полупроводником. Несмотря на свою простую конструкцию, прибор является чрезвычайно полезным компонентом и широко распространен в современной электронике. Диод Шоттки, изготовленный с использованием двумерных (2D) материалов, в последние годы привлекает внимание исследователей благодаря их большим перспективам в практических применениях, таких как транзисторы, выпрямители, радиочастотные генераторы, логические элементы, солнечные элементы, химические датчики, фотоприемники, гибкая электроника и так далее.

Понимание диода Шоттки на основе двумерного материала, однако, страдает от множества загадок. В литературе сосуществовало несколько теоретических моделей, и модель часто выбиралась априори без строгих обоснований. Нередко можно увидеть модель для анализа двумерного материала диода Шоттки, базовая физика которой в корне противоречит физическим свойствам двумерных материалов.

Согласно статье в Physical Review Letters, исследователи из Сингапурского университета технологий и дизайна (SUTD) сделали большой шаг вперед в разрешении загадок, связанных с двумерным материалом диода Шоттки. Используя строгий теоретический анализ, они разработали новую теорию для описания различных вариантов диодов Шоттки на основе 2D-материалов в рамках объединяющей структуры. Новая теория закладывает фундамент, который помогает объединить предшествующие противоположные модели, тем самым разрешая серьезную путаницу в электронике 2D-материалов.

«Особенно примечательным открытием является то, что электрический ток, протекающий через двумерный диод Шоттки, следует универсальному закону масштабирования для всех типов двумерных материалов, - сказал первый автор доктор Йи Синь Ан (Yee Sin Ang) из SUTD.

Универсальный закон масштабирования очень важен в физике, поскольку он предоставляет практический «швейцарский нож» для раскрытия внутренней работы физической системы. Универсальный закон масштабирования появился во многих областях физики, таких как физика полупроводников и сверхпроводников, гидродинамика, механические разрушения, и даже в сложных системах, таких как продолжительность жизни животных, результаты выборов, транспорт и рост города.

Универсальный закон масштабирования, открытый исследователями из SUTD, определяет, как электрический ток изменяется в зависимости от температуры, и применим к широким классам двумерных систем, включая полупроводниковую квантовую яму, графен, кремнезем, германен, станен, дихалькогениды переходных металлов и тонкие пленки топологических твердых тел.

Простая математическая форма закона масштабирования особенно полезна для прикладных ученых и инженеров при разработке новой электроники из двумерного материала.

Законы масштабирования, открытые исследователями из SUTD, предоставляют простой инструмент для получения высоты барьера Шоттки - физической величины, критически важной для оптимизации производительности электроники из 2D-материалов.

«Новая теория имеет далеко идущие последствия в физике твердого тела, - говорит соавтор и главный исследователь профессор Лей Ки Ан (Lay Kee Ang) из SUTD, - она сигнализирует о нарушении классического диодного уравнения, широко используемого в традиционных материалах прошлые 60 лет. Это улучшит наше понимание того, как эффективнее конструировать электронику из 2D-материалов».

Схематическое изображение 2D-материала на основе латерального (слева) и вертикального (справа) диода Шоттки. Для широких классов двумерных материалов зависимость тока от температуры может быть универсально описана показателем масштабирования 3/2 и 1 соответственно для латеральных и вертикальных диодов Шоттки

В то время как все на CES 2019 говорили о 5G, Cisco уже смотрит в будущее - компания уже имеет представление о том, что принесет 6G, когда эта технология появится.

По словам Бисли, для достижения максимальной производительности 6G потребуется около 15-20 лет, поскольку мир только что преодолел этот переломный момент для 4G.

«Тема 6G является интересной, однако с точки зрения развития технологических инноваций, она все еще очень сильно связана с фундаментальными исследованиями. Это очень, очень, очень далеко», - заявил в интервью ZDNet во время CES Майкл Бисли (Michael Beesley), технический директор по поставке сетевых услуг Cisco. - Мы действительно примерно понимаем, каковы будут характеристики и возможности устройств с точки зрения пропускной способности, сокращения задержки, уплотнения сети, покрытия, и тот факт, что ... это не просто потребительские телефоны, но и устройства сотрудников мобильных компаний, IoT, мобильного IoT. Их стоимость и размер будут настолько эффективными и небольшими, что вычисления и интеллект будут встроены во все, что мы можем себе представить, и все эти вещи будут подключены к сети».

Он добавил, что необходимо внести изменения в цены на частотный спектр, стоимость устройств и варианты использования, чтобы оправдать стоимость разворачивания 6G, и отметил, что кибербезопасность улучшится с новым стандартом связи.

«Я настроен оптимистично в том, что мы сможем получить чрезвычайно защищенную архитектуру, отчасти потому, что когда у вас есть такая пропускная способность и вычислительная мощность, мы практически в режиме реального времени можем обнаружить аномальное поведение, необычное поведение и плохих парней, - сказал он. - Если вы можете обнаружить это быстро, вы можете заблокировать и исправить это быстро, поэтому мы будем намного, намного более защищены, чем сегодня».

По мере приближения квантовых вычислений они будут подключаться к 6G, чтобы сформировать «квантовый Интернет», отметил Бисли.

«Если вы предполагаете, что квантовые вычисления выходят на рынок и повышают как эффективность устройств, будь то персональные устройства или компьютеры, так и IoT, то вы получаете увеличение на один или два порядка вычислительной мощности и плотности вычислений в сочетании с аналогичным уплотнением вычислений и увеличением мощности в ЦОД или на стороне облака. Если вы добавите к этому сеть 6G, в которой у вас сверхвысокая пропускная способность, очень низкая задержка и чрезвычайно плотное покрытие, то как будет выглядеть такой мир?» - спросил технический директор Cisco.

Пользовательский опыт будет просто потрясающим, каждое взаимодействие, будь то личное, развлекательное, социальное, каждый аспект работы будет наполнен видео высокой четкости, AR, VR.

Шведская исследовательская группа в области квантовой нанофотоники разработала новый метод, который представляет собой значительный шаг в обработке оптической квантовой информации на чипе.

Группе из Королевского технологического института KTH удалось создать строительные блоки такой системы путем встраивания искусственных атомов (квантовых точек) в фотонные чипы на основе кремния. Они генерировали и фильтровали одиночные фотоны на чипе без использования каких-либо внешних компонентов.

Ожидается, что квантовые компьютеры и сети превзойдут современные классические компьютеры и сети, которые кодируют информацию в двоичных разрядах. Вместо битов, состоящих из единиц и нулей, квантовые биты могут одновременно принимать суперпозицию обоих значений, что означает, что они могут обрабатывать значительно большие объемы данных с меньшим количеством этапов вычислений. Потенциальные приложения включают энергоэффективные вычисления, распознавание и безопасную связь.

Тем не менее есть проблемы, которые необходимо преодолеть, чтобы иметь возможность разрабатывать эффективные интегральные квантовые схемы. Группа Quantum Nano Photonics в KTH решает эти проблемы в работе, представленной в Nature Communications, говорит Али Эльшаари (Ali Elshaari), соавтор исследования.

В прошлом было чрезвычайно трудно выделить квантовые точки и поместить их в полезную схему, поскольку они растут случайным образом без достаточного управления своими свойствами и положением в схеме. Кроме того, по словам Али Эльшаари, трудно генерировать одиночные фотоны на одном чипе без использования внешней фильтрации для удаления всех нежелательных сигналов от квантовых излучателей и фонового света.

Исследовательская группа использовала новую технику наноманипуляции для переноса отобранных и предварительно охарактеризованных однофотонных излучателей в нанопроводах на кремниевый чип. Затем команда создала интегральную оптическую схему для фильтрации одиночных фотонов и их мультиплексирования. Последнее означает использование нескольких квантовых точек для генерации света различных длин волн, которые можно использовать для кодирования различной информации на одном чипе.

«Чтобы создать функционирующую интегральную квантовую схему, нужно детально строить ее компоненты, - говорит Эльшаари. - Это означает, что каждый компонент схемы должен быть тщательно спроектирован и оптимизирован для выполнения конкретной задачи. В отличие от предыдущих подходов здесь не должно быть места случайности, когда дело доходит до характеристик источника или его расположения в оптической схеме».

Одно из новых достижений работы исследовательской группы заключается в том, что они создали гибридный подход, который сочетает в себе две полупроводниковые технологии, технологию III-V в форме квантовых излучателей на основе нанопроволоки и кремниевую технологию в форме интегральной оптической схемы.

«Гибридная интеграция с нанопроволоками ранее не проводилась. Результаты являются очень важным шагом на пути к квантовой обработке информации на чипе».

Художественное изображение интегральной квантовой схемы, демонстрирующей фотоны, испускаемые из квантовой точки нанопроволоки и затем фильтруемые кольцевым резонаторным фильтром

Спайковая (импульсная) нейронная сеть SpiNNaker имитирует человеческий мозг и может способствовать прорывам в области робототехники и здравоохранения.

Несмотря на все свои физические недостатки, человеческий мозг - это модель, которой компьютерные инженеры всегда стремились подражать: огромная вычислительная мощность, которая удивительно энергоэффективна и доступна в крошечном форм-факторе. Но в конце прошлого года, на бывшем металлургическом заводе в Манчестере одна машина стала самой близкой к искусственному человеческому мозгу.

Компьютер с 1 млн. ядер SpiNNaker - сокращение от Spiking Neural Network Architecture (архитектура импульсных нейронных сетей) - является кульминацией десятилетий работы и миллионов фунтов инвестиций. Результат: массивно параллельный суперкомпьютер, предназначенный для имитации работы человеческого мозга, который, как надеются, даст нейробиологам новое понимание того, как работает разум, и откроет новые возможности для медицинских исследований.

Генезис проекта лежит в конце 1990-х годов благодаря работе Стива Фербера (Steve Furber), ныне профессора компьютерной инженерии в Университете Манчестера.

«Я начинал задаваться вопросом, почему несмотря на то что процессоры стали намного быстрее, есть вещи, которые им трудно сделать, которые мы, люди, находим относительно легкими», - говорит Фербер. Он начал исследовать ассоциативные воспоминания и, пытаясь решить их трудности с неточными данными, обратил свое внимание на нейронные сети.

В 2005 году проект SpiNNaker получил грант, а инженерная группа проф. Фербера взяла биологический мозг в качестве своих компьютерных моделей. SpiNNaker теперь проживает в здании Килберн университета Манчестера, которое раньше использовалось для размещения мэйнфреймов в конце 1960-х и 1970-х годов.

Исторически сложность создания компьютеров, которые могли бы имитировать мозг, в значительной степени сводится к возможности подключения. Нейроны - нервные волокна, которые распространяются по всему телу и в основном заканчиваются в мозге. Каждый из них имеет тысячи входов и тысячи выходов. Вычислительные системы сталкиваются с чем-то подобным в аналогичном масштабе. «Было ясно, что большая проблема в построении вычислительных моделей биологических нейронных сетей связана со степенью связности, которую вы обнаружите в биологии», - говорит Фербер.
Чтобы построить систему, которая больше похожа на человеческий мозг, исследовательская группа создала новую систему на чипе. Архитектуры спайковых нейронных сетей берут свое начало от того, как нейроны работают в мозге: чтобы передавать сигнал от одного нейрона к другому, напряжение его мембраны должно меняться, и должен генерироваться так называемый потенциал действия. Потенциал действия преобразуется в импульс в спайковой нейронной сети.

Используя эту архитектуру, команда заявляет, что SpiNNaker нарушает правила, которым следуют традиционные суперкомпьютеры, потому что узлы обмениваются данными, используя эти простые сообщения – импульсы (спайки) - которые по своей природе ненадежны. «Этот разрыв с детерминизмом ставит новые задачи, но также дает возможность открыть новые мощные принципы массово параллельных вычислений», - говорят специалисты.

После достижения полумиллиона ядер в 2016 году в рамках проекта ЕС по человеческому мозгу, SpiNNAker недавно достиг одного миллиона, что позволяет ему выполнять два триллиона действий в секунду и моделировать действие 200 миллионов нейронов в режиме реального времени.

«SpiNNaker чрезвычайно гибок - все модели, которые мы используем для нейронов и синапсов, являются маленькими кусочками программного кода. Если бы вы превратили их в аппаратные средства, они были бы меньше и эффективнее, но причина, по которой мы используем программное обеспечение, заключается в том, что нет реального соглашения, что правильная модель такова, и разные области мозга, вероятно, нуждаются в разных моделях, а программное обеспечение дает нам гибкость», - говорит проф. Фербер.

Спайковые нейронные сети инспирированы мозгом. Также есть надежда, что они, в свою очередь, могут пролить больше света на орган, который они моделируют. Это потому, что спайковая нейронная сеть генерирует импульсы так же, как это делают настоящие нейроны, и передает информацию таким же образом.

Например, система SpiNNAker уже использовалась для моделирования базальных ганглиев, набора структур в мозге, который помогает с выбором схемы движения, - когда вы решаете подойти к стулу, а затем сесть, это базальные ганглии, которые посылают схему движения ногам, запускают их работу, останавливает их, когда достигнете кресла, и вместо этого отправляет схему сидения на нижнюю часть тела. Есть надежда, что, моделируя базальные ганглии, нейробиологи получат лучшее понимание того, что они делают, и как они это делают.

И это еще не все: более грандиозные амбиции заключаются в том, что SpiNNaker можно использовать для понимания работы коры - внешнего слоя мозга, который играет критическую роль в более высоких функциях, таких как речь и принятие решений. Система используется для моделирования кортикальных микроколонок, групп нейронов, которые проходят через кору.

SpiNNaker также может быть полезен в индустрии робототехники - будь то роботы реальные или виртуальные. Проект Human Brain Project, частью которого является SpiNNaker, разрабатывает виртуальную робототехническую среду, которую Университет Манчестера устанавливает на своих серверах.

Это означает, что пользователи со всего мира могут настроить модель робота и привязать ее к своей интеллектуальной сети в SpiNNaker, говорит проф. Фербер, что позволяет им наблюдать за его поведением и управлять им удаленно через Интернет.

При высокой мощности энергопотребление может достигать пика в 100 кВт, но обычно оно в районе 1-2 кВт.

SpiNNaker занимает 11 19-дюймовых стоечных шкафов, что составляет машину длиной около 5 м, высотой 2 м и глубиной 1 м. В настоящее время он моделирует один процент человеческого мозга, поэтому система SpiNNaker, которая может дать роботу познание на уровне человека, потребует чего-то вроде инженерного чуда.

«Нет никакого смысла думать, что это технология, которая приведет к шагающему говорящему и интеллектуальному роботу из научной фантастик, - говорит проф. Фербер, - потому что ему понадобится голова размером с авиационный ангар и прикрепленная к ней атомная электростанция».

Так что тем, кто обеспокоен, что интеллектуальные вычисления могут превратить SpiNNaker в разумный компьютер, вероятно, не стоит слишком бояться, по крайней мере, пока.

Что вы чувствуете, когда технологии, которые вы видели в кино, превращаются в реальность? Сотрудничество между электротехнической и текстильной промышленностью сделало реальностью отображение телевизоров или экранов смартфонов на одежде.

Исследовательская группа во главе с профессором Кьюн Чеол Чой (Kyung Cheol Choi) из Школы электротехники KAIST представила носимые дисплеи для различных применений, включая моду, ИТ и здравоохранение. Интегрируя OLED (органический светодиод) с тканями, команда разработала одну из самых гибких и надежных технологий для носимых дисплеев в мире.

В последнее время информационные дисплеи становятся все более важными, поскольку они создают внешнюю часть интеллектуальных устройств следующего поколения. Поскольку мировые тенденции сосредоточены на Интернете вещей (IoT) и носимых технологиях, команда привлекла большое внимание, добившись значительных успехов в коммерциализации носимых дисплеев в форме одежды.

Работы по созданию дисплеев на одежде привлекли большое внимание академических и промышленных кругов, когда в 2011 году было начато исследование люминесценции в тканях; однако не было технологии для их коммерциализации из-за шероховатости поверхности и гибкости.

Из-за этого технического ограничения носимые дисплеи в форме одежды считались недостижимой технологией. Однако команде KAIST недавно удалось разработать самую высокоэффективную светоизлучающую одежду в мире, которую можно было бы коммерциализировать.

Исследовательская группа для создания носимых дисплеев в форме одежды использовала два различных подхода: тип ткани и тип волокна. В 2015 году команда успешно термически наслоила лист толщиной около 200 сотен нанометров на ткань, чтобы сформировать поверхность, которая совместима с OLED. Кроме того, команда сообщила о результатах своих исследований по повышению надежности эксплуатации OLED на основе волокон. В 2016 году команда внедрила метод нанесения покрытия погружением, способный равномерно наносить слои, для разработки полимерных светодиодов, которые показывают высокую яркость даже на тонкой ткани.

На основании результатов исследований в 2015 и 2016 гг. аспирант Сеунеоп Чой (Seungyeop Cho)i возглавил исследовательскую группу и преуспел в реализации OLED на основе ткани, демонстрируя высокую яркость и эффективность при сохранении гибкости ткани.

Долгосрочная надежность этого носимого устройства, которое обладает лучшими в мире электрическими и оптическими характеристиками, была подтверждена с помощью собственной разработанной технологии органического и неорганического капсулирования. По словам команды, их носимое устройство работает даже при радиусе изгиба 2 мм.

По словам Чоя, «имея волнистые структуры и пустые пространства, волокно играет существенную роль в снижении механического напряжения на OLED».

«Экран, отображаемый на нашей повседневной одежде, больше не является технологией будущего, - сказал Чой. - Светоизлучающая одежда окажет значительное влияние не только на электронную текстильную промышленность, но также на автомобильную и медицинскую отрасли».

OLED, работающие в тканях

Отдельные атомы гольмия, адсорбированные на пленках оксида магния, могут образовывать высокостабильные магниты, согласно исследованию, проведенному Фабианом Наттерером (Fabian Natterer) и его коллегами в Швейцарском федеральном технологическом институте в Лозанне (EPFL). Команда показала, что одноатомные магниты могут выдерживать относительно высокие температуры и сильные внешние магнитные поля. Исследование может привести к разработке устройств хранения данных чрезвычайно высокой плотности.

ЦОД все больше испытывают нагрузку, поскольку мы производим все больше и больше данных. Одно из возможных решений может заключаться в одноатомных магнитах, на которых биты данных могут храниться в виде долгоживущих магнитных квантовых состояний. Предыдущие исследования показали, что этими состояниями можно легко манипулировать, что позволяет легко записывать и считывать данные с атомов. Кроме того, плотная упаковка множества атомов на поверхности позволит хранить огромное количество данных.

Одноатомные магниты все еще находятся на ранних стадиях разработки, и технология сталкивается с серьезными проблемами, связанными с термостабильностью магнитных квантовых состояний атомов. Коэрцитивность магнитов - их способность противостоять размагничиванию во внешних магнитных полях - также низкая, что не подходит для хранения данных.

В своем исследовании группа Наттерера использовала сканирующий туннельный микроскоп для наблюдения отдельных атомов гольмия, адсорбированных на пленке оксида магния. Эта система, которая ранее была идентифицирована как совокупность высокостабильных одноатомных магнитов.

Чтобы проверить способность атомов противостоять размагничиванию, команда сначала подвергла их воздействию внешних магнитных полей до 8 Тл, что примерно в 100 000 раз превышает силу магнитного поля Земли. Примечательно, что атомы сохраняли свою намагниченность в течение многих минут - самая высокая коэрцитивная сила, наблюдаемая у отдельных атомов.

Затем атомы подвергались воздействию температур выше 45° К. Их магнитные состояния оставались стабильными до 35° К и начинали выравниваться с внешним полем при температуре выше 45° К. Хотя это примерно на 260 градусов ниже комнатной температуры, это очень много для одноатомных магнитов, что показывает способность противостоять тепловым возмущениям.

Хотя атомы гольмия, адсорбированные на оксиде магния, являются удивительно стабильными для системы с одиночными магнитами, Наттерер и его коллеги признают, что необходимы дальнейшие исследования, прежде чем эту систему можно будет внедрить в коммерческое хранилище данных. «Мы продемонстрировали, что самые маленькие биты действительно могут быть чрезвычайно стабильными, - сказал Наттерер. - Далее нам необходимо научиться более эффективно записывать информацию в эти биты, чтобы преодолеть магнитную «трилемму» магнитной записи: стабильность, возможность записи и отношение сигнал/шум».

Магнитные синглеты: отдельные атомы гольмия на поверхности пленки оксида магния (изображения, полученное с помощью сканирующего туннельного микроскопа)

Исследование, изучающее связь между потоками тепла и частиц в газе сильно взаимодействующих атомов и подчеркивающее фундаментальную роль квантовых корреляций в явлениях переноса, обнаружило нарушение известного закона Видемана-Франца и должно открыть экспериментальный путь для проверки новых идей для термоэлектрических устройств.

Из повседневного опыта мы знаем, что металлы являются хорошими проводниками как для электричества, так и для тепла. Эта тесная связь тепла и электрического транспорта не случайна. В типичных металлах оба вида проводимости возникают из потока «свободных» электронов, которые движутся через материал, как газ независимых частиц. Но когда носители-фермионы, такие как электроны, взаимодействуют друг с другом, могут возникнуть неожиданные явления, как обнаружили Доминик Хусманн (Dominik Husmann), Лаура Корман (Laura Corman) и коллеги из группы Тильмана Эсслингера (Tilman Esslinger) на кафедре физики в ETH, Цюрих, в сотрудничестве с Жаном-Филиппом Бранти (Jean-Philippe Brantut) из Высшей политехнической школы Лозанны (EPFL).

Изучая связь теплопроводности и проводимости частиц в системах сильно взаимодействующих атомов-фермионов, они обнаружили удивительное поведение, которое отличают эту систему от известных систем, в которых две формы переноса связаны.

В металлах связь тепловой и электрической проводимости описывается законом Видемана-Франца, который впервые был сформулирован в 1853 году. В современной форме закон гласит, что при фиксированной температуре соотношение между двумя типами проводимости является постоянным. Значение этого соотношения является достаточно универсальным, оно одинаково для удивительно широкого диапазона металлов и условий. Однако эта универсальность нарушается, когда носители взаимодействуют друг с другом. Это наблюдалось в горстке экзотических металлов, содержащих сильно коррелированные электроны. Но теперь Хусманн, Корман и их коллеги исследовали это явление в системе, в которой они имели превосходное управление всеми соответствующими параметрами, что позволило им контролировать беспрецедентную детализацию переноса частиц и тепла.

Носителями в их экспериментах являются фермионные атомы лития, которые они охлаждают до температур ниже микрокельвина и захватывают с помощью лазерных лучей. Первоначально они ограничивали несколько сотен тысяч этих атомов двумя независимыми резервуарами, которые можно нагревать по отдельности. Как только разница температур между этими двумя резервуарами была установлена, они открывали крошечное препятствие между ними - так называемый квантовый точечный контакт, - инициируя перенос частиц и тепла. Транспортный канал определяется и контролируется с помощью лазерного излучения. Таким образом, эксперимент обеспечивает чрезвычайно чистую платформу для изучения фермионного транспорта. Например, в реальных материалах решетка, через которую протекают электроны, начинает плавиться при высоких температурах. Напротив, в установке с холодным атомом, когда структуры определяются светом, такого «нагрева решетки» не происходит, что позволяет сосредоточиться на самих носителях.

Когда Хусманн с коллегами определил соотношение между теплопроводностью и проводимостью частиц в их системе, они обнаружили, что оно на порядок ниже предсказаний закона Видемана-Франца. Это отклонение указывает на разделение механизмов, ответственных за частицы и тепловые потоки, в отличие от ситуации, так универсально наблюдаемой для свободных носителей. В результате их система перешла в состояние, в котором потоки тепла и частиц исчезли задолго до того, как было достигнуто равновесие между двумя резервуарами по температуре и количеству частиц.

Кроме того, было обнаружено, что другая мера термоэлектрического поведения, коэффициент Зеебека, имеет значение близкое к ожидаемому для невзаимодействующего ферми-газа. Это озадачивает, потому что в некоторых областях канала сильно взаимодействующие атомы находились в сверхтекучем режиме (в котором газ или жидкость течет без вязкости) и в прототипе сверхтекучей жидкости гелий-4 коэффициент Зеебека равен нулю. Это несоответствие указывает на другой термоэлектрический характер для фермионного газа, изученного группой ETH.

Таким образом эти результаты ставят новые задачи для микроскопического моделирования сильно взаимодействующих фермионных систем. В то же время платформа, созданная с помощью этих экспериментов, могла бы помочь исследовать новые концепции для термоэлектрических устройств, таких как охладители и двигатели, которые основаны на взаимном преобразовании разностей температур в поток частиц, и наоборот.

Художественное изображение двух температурно-несбалансированных резервуаров холодных атомов, соединенных через квантовый точечный контакт. Температурный баланс индуцируется лазерным лучом

Достижения в технологии выращивания материала позволяют укладывать материалы в стек с атомной точностью. На границе раздела между этими двумя материалами иногда могут наблюдаться физические явления, которых нет в обоих исходных материалах. Например, магнитный интерфейс обнаружен между двумя немагнитными материалами. Открытие показывает новый способ управления этим возникающим магнетизмом, который может стать основой для новых типов магнитных электронных устройств.

Используя очень чувствительные магнитные зонды, международная группа исследователей во главе с профессором Биной Калиски (Beena Kalisky) с факультета физики Бар-Иланского университета и Института нанотехнологий и передовых материалов (BINA) обнаружила удивительные доказательства того, что магнетизм, возникающий на границе между немагнитными оксидными тонкими слоями, может быть легко настроен путем приложения очень малых механических сил.

Магнетизм уже играет центральную роль в хранении все увеличивающегося количества данных, производимых человечеством. Сегодня большая часть нашего хранилища данных основана на крошечных магнитах, втиснутых в наш накопитель. Одним из многообещающих средств в гонке за улучшение памяти с точки зрения объема данных и скорости операций с ними является использование меньших магнитов. До сегодняшнего дня размер ячеек памяти может составлять всего несколько десятков нанометров - почти миллионная ширина волоса! Дальнейшее уменьшение размера является сложной задачей в трех основных аспектах: стабильность магнитной ячейки, способность считывать ее и способность записывать в нее, не затрагивая соседние ячейки. Недавнее открытие обеспечивает новый и неожиданный механизм для управления магнетизмом, обеспечивая таким образом более плотную магнитную память.

Эти оксидные границы сочетают в себе ряд интересных физических явлений, таких как двухмерная проводимость и сверхпроводимость. «Сосуществование физических феноменов является захватывающим, потому что они не всегда идут рука об руку. Например, не ожидается, что магнетизм и сверхпроводимость должны сосуществовать, - говорит проф. Калиски. - Магнетизм, который мы обнаружили, не распространялся по всему материалу, а проявлялся в четко определенных областях, определяемых структурой материалов. Удивительно, но мы обнаружили, что силой магнетизма можно управлять путем приложения давления к материалу».

Сосуществование магнетизма и проводимости имеет большой технологический потенциал. Например, магнитные поля могут влиять на протекание тока в определенных материалах, и, манипулируя магнетизмом, мы можем управлять электрическим поведением электронных устройств. Этой теме посвящена целая область под названием спинтроника. Открытие того факта, что очень малые механические давления могут эффективно настраивать возникающий магнетизм на изучаемых интерфейсах, открывает новые и неожиданные пути для разработки спинтронных устройств на основе оксидов.

Новое открытие объясняет, что происходит во время фазового перехода в материалах Дирака, прокладывая путь для разработки усовершенствованной электроники, которая работает значительно быстрее.

Проф. Шаффик Адам (Shaffique Adam) из Yale-NUS College является ведущим автором недавней работы, которая описывает модель взаимодействия электронов в материалах Дирака, классе материалов, который включает графен и топологические изоляторы, решая 65-летнюю открытую теоретическую проблему. Это открытие поможет ученым лучше понять взаимодействие электронов в новых материалах, проложив путь к разработке современной электроники, такой как более быстрые процессоры. Работа была опубликована в рецензируемом академическом журнале Science.

Поведение электрона определяется двумя основными теориями - законом Кулона и теорией жидкости Ферми. Согласно теории ферми-жидкости, электроны в проводящем материале ведут себя как жидкость - их «поток» через материал проявляется как электричество. Для дираковских фермионов теория ферми-жидкости разрушается, если кулоновская сила между электронами пересекает определенный порог: электроны «замерзают» в более жесткую схему, которая препятствует «потоку» электронов, в результате чего материал становится непроводящим.

На протяжении более 65 лет эта проблема была отнесена к математической, потому что материалы Дирака, где был бы достигнут кулоновский порог, никогда не создавались. Однако сегодня уже обычно используются квантовые материалы для технологических применений, таких как транзисторы в процессорах, где электроны управляются так, чтобы иметь желаемые свойства, в том числе те, которые выталкивают кулоновскую силу за этот порог. Но эффекты сильного электрон-электронного взаимодействия можно увидеть только в очень чистых образцах.

В своей работе доцент Адам предложил модель для описания экспериментально доступных материалов Дирака, которые были «очень грязными» (содержали много примесей). Однако в последующие годы были созданы новые и более чистые материалы, и эта предыдущая теория больше не работала.

В этой последней работе под названием «Роль электрон-электронных взаимодействий в двумерных дираковских фермионах» проф. Адам и его исследовательская группа разработали модель, которая объясняет взаимодействия электронов за порогом Кулона во всех материалах Дирака с использованием комбинации численные и аналитические методы.

В этом исследовании команда разработала метод для изучения эволюции физических наблюдаемых в управляемой манере и использовала его, чтобы рассмотреть конкурирующие эффекты ближних и дальних частей в моделях кулоновского взаимодействия. Исследователи обнаружили, что скорость электронов (скорость «потока») в материале может уменьшиться, если доминирует ближнее взаимодействие, благоприятствующее изолирующему «замороженному» состоянию. Однако скорость электронов могла бы быть увеличена за счет дальнодействующего компонента, который благоприятствовал проводящему, «жидкому» состоянию. С этим открытием ученые могут лучше понять дальнодействующие взаимодействия электронов без возмущений - то, что предыдущие теории не смогли объяснить - и получить полезные прогнозы для экспериментов, исследующих расхождение дальнего взаимодействия электронов, когда они переходят от проводящей к изолирующей фазе.

Это улучшенное понимание эволюции скорости электронов во время фазового перехода открывает путь к тому, чтобы помочь ученым разработать устройства для электроники с низким тепловыделением. Проф. Адам объясняет: «Чем выше скорость электронов, тем быстрее транзисторы можно включать и выключать. Однако эта более быстрая производительность процессора достигается ценой повышенной утечки энергии, которая производит дополнительное тепло, и это тепло будет противодействовать увеличению производительности благодаря быстрому переключению. Наши выводы о поведении скорости электронов помогут ученым сконструировать устройства, способные к более быстрому переключению, но с малой утечкой энергии».

Проф. Адам добавляет: «Поскольку механизм в нашей новой модели использует силу Кулона, он будет тратить меньше энергии на переключатель по сравнению с механизмами, доступными в настоящее время. Понимание и применение нашей новой модели может потенциально привести к появлению технологий нового поколения».

Открытой проблемой было управление скоростью электронной жидкости (показанной в виде волнистой береговой линии). Полученные данные показывают, что именно замороженный антиферромагнетизм на сотовой решетке задает эту скорость, замедляя ее при взаимодействии электронов