Винтон Дж. Серф - вице-президент и главный интернет-евангелист Google. Широко известный как один из «отцов Интернета», г-н Серф является одним из разработчиков протоколов TCP/IP и архитектуры Интернета. В материале, опубликованном в ZDNet от 1 июля, г-н Серф делится своими взглядами на будущее Интернета, важность доверия и сопереживания, а также о влиянии новых технологий, таких как IoT, на будущее коммуникаций.

1. Пандемия COVID-19 выявила необходимость расширения доступа к Интернету. Сегодня только 50% населения мира имеет доступ к Интернету - веху, отмечаемую ООН в конце 2019 года. По словам Серфа, пандемия подчеркнула, что нам нужен лучший доступ к Интернету повсюду. В некоторых местах по всему миру школьные автобусы используются для обеспечения беспроводного доступа к Интернету для студентов. Библиотеки также предоставляют «горячие точки» для широкополосного доступа. Признание того, что нам необходимо обеспечить доступ к Интернету, было подчеркнуто пандемией.

2. Дублирование личного опыта в классе в чисто цифровой формат не может быть оптимальным подходом. Цифровой формат может снизить потребность в поездках, что приведет к увеличению посещаемости. Модель распределенного цифрового образования приведет к созданию структуры и операционной системы высшего образования, которые будут открыты (как Android), а не закрыты (как iOS). Это означает, что студенты будут иметь возможность посещать курсы в нескольких учебных заведениях и получить аккредитацию на основе взаимосогласованной мультиуниверситетской экосистемы.

3. Будущее образования – это гибридная модель, личная и виртуальная. Занятия в классе могут быть ограничены парой дней в неделю, во время и после пандемии, а в остальное время процесс обучения является цифровым. Сочетание как занятий в классе, так и виртуального сотрудничества и преподавания является сегодня областью исследований.

4. Мы одни, но вместе. Дети, использующие мобильный телефон и текстовые сообщения, освоили другую модель социального поведения. Они узнали, что можно не отвечать на текст. Если ты не знаешь, что сказать, не говори вообще ничего. Это означает, что дети не могут справиться с немедленной необходимостью реагировать, что они не пользуются телефоном или не встречаются лично. Сегодня существует контроль над тем, кого можно увидеть или услышать. Социологи и психологи должны исследовать и лучше понимать, как технологии влияют на социальную среду, в которой мы живем.

5. Возможность немедленного подключения снижает нашу способность планировать и подготавливать. Искусство планирования и подготовки часто упускается из виду при современном мышлении и способности мгновенно соединяться и сотрудничать.

6. В ближайшее время вырваться из Интернета может быть невозможно. Серф рассказал о том, как Илон Маск и SpaceX распределяют 200 спутников в космосе (проект Starlink) для масштабного высокоскоростного подключения к Интернету по всему миру. Starlink, нацеленный на обслуживание в северной части США и Канаде в 2020 году, быстро расширится до почти глобального охвата населенного мира к 2021 году. Серф сказал, что воздействие будет поразительным, когда у каждого квадратного дюйма планеты будет доступ к Интернету.

7. Плохо разработанное программное обеспечение может негативно повлиять на наше общество. Серф напомнил нам, что Интернет вещей (IoT) уже автоматизирован и автономен. В автономном режиме принятия решений уже работают миллиарды подключенных устройств, которые принимают решения на основе программных алгоритмов. Плохо созданное программное обеспечение может нанести вред, даже при простой логики, которая сегодня используется вне машинного обучения и продвинутой логики ИИ.

8. Сочувствие в нецифровом мире означает создание опыта, когда люди могут войти в положение других людей. Преодоление разрыва в понимании, разнообразии мыслей и сочувствии требует доверия, взаимного уважения и смирения. Серф говорил о виртуальных обедах и ужинах в Интернете и о преимуществах простого любопытства и интереса к изучению других.

9. Лучшие решения достигаются путем уважения, активного слушания и гендерного разнообразия. Серф говорил о том, что уважение к намерениям людей ведет к здоровому сотрудничеству. Успешное сотрудничество может быть очень активным, но никогда не личным, сказал Серф. Общая миссия и доверие являются ключевыми факторами успеха для здорового сотрудничества.

10. Изменение системы вознаграждений может минимизировать поляризацию и крайние точки зрения в социальных сетях. Серф считает, что система вознаграждений в социальных сетях приводит к поляризации и экстремальному поведению, которое привлекает внимание. На данный момент самый быстрый способ привлечь внимание - поделиться экстремальными точками зрения и контентом. Серф не предоставил решения, но предположил, что это область, которая требует исследований и лучшего понимания.

11. Мы должны научиться терпеть различия и улучшать наше критическое мышление. Серф говорил о «страхе перед другим» и о том вреде, который он нанес обществу. Терпимость к разногласиям и различиям является ключом к здоровым отношениям. Критическое мышление, а не цинизм, является ключом к лучшему пониманию и защите от дезинформации. Серф напомнил нам, что дезинформация в лучшем пакете, как правило, содержит некоторый уровень правды, который вы узнаете, что заставляет вас поверить в дезинформационную часть пакета.

12. Чтобы эффективно учить и совместно создавать ценности, мы должны сначала узнать о других. Нам нужно применять подход «снизу вверх» и проявлять больше смирения, поскольку мы добровольно проводим время для улучшения общества. Менталитет должен сместиться с «Я здесь, чтобы помочь и научить», на мышление, которое больше о «Я здесь, чтобы учиться у вас, и вместе мы можем изменить ситуацию».

Новые разработки в области спинтроники могут привести к тому, что графен будет использоваться в качестве строительного блока для электроники следующего поколения.

Спинтроника представляет собой сочетание электроники и магнетизма в наноразмерном масштабе и может привести к созданию высокоскоростной электроники следующего поколения. Спинтронные устройства являются жизнеспособной альтернативой для наноэлектроники, выходящей за рамки закона Мура, предлагая более высокую энергоэффективность и меньшее рассеивание по сравнению с обычной электроникой, которая зависит от токов зарядов. В принципе, у нас могут быть телефоны и планшеты, работающие на спиновых транзисторах и памяти.

Средний человек уже сталкивается со спинтроникой в ноутбуках и ПК, которые уже используют спинтронику в виде магнитных датчиков в считывающих головках жестких дисков. Эти датчики также используются в автомобильной промышленности.

Д-р Айвен Вера-Марун (Ivan Vera-Marun), лектор по физике конденсированных сред в Манчестерском университете, сказал: «Непрерывный прогресс в графеновой спинтронике и, в более широком смысле, в 2D-гетероструктурах, привел к эффективному созданию, переносу и обнаружению спиновой информации с использованием эффектов, ранее недоступных только одному графену. Поскольку усилия по фундаментальным и технологическим аспектам продолжаются, мы полагаем, что баллистический спиновый транспорт будет реализован в 2D-гетероструктурах даже при комнатной температуре. Такой транспорт позволил бы на практике использовать квантово-механические свойства волновых функций электронов, приводя спины в 2D-материалах на службу будущих подходов квантовых вычислений».

Управляемый спиновый транспорт в графене и других двумерных материалах становится все более перспективным для применения в устройствах. Особый интерес представляют нестандартные гетероструктуры, известные как гетероструктуры Ван-дер-Ваальса, которые состоят из стека двумерных материалов в точно контролируемом порядке.

Миллиарды устройств спинтроники, таких как датчики и память, уже производятся. Каждый жесткий диск имеет магнитный датчик, который использует ток спинов, и чипы с магнитной памятью с произвольным доступом (MRAM) становятся все более популярными.

За последнее десятилетие были получены захватывающие результаты в области графеновой спинтроники, которая переросла в следующее поколение исследований, распространяющихся на новые двумерные соединения.

С момента своего обнаружения в 2004 г. графен открыл двери для других 2D-материалов. Исследователи могут использовать эти материалы для создания стопок 2D-материалов, называемых гетероструктурами. Их можно комбинировать с графеном для получения новых «дизайнерских материалов» для создания приложений, изначально ограниченных научной фантастикой.

Идентификация и характеристика новых квантовых материалов с нетривиальными топологическими электронными и магнитными свойствами интенсивно изучаются во всем мире после формулирования в 2004 г. концепции топологических изоляторов. Спинтроника лежит в основе этого поиска. Благодаря своей чистоте, прочности и простоте, двумерные материалы являются лучшей платформой, где можно найти эти уникальные топологические особенности, которые связаны с квантовой физикой, электроникой и магнетизмом.

В целом, область спинтроники в графене и связанных с ним двумерных материалах в настоящее время движется в направлении демонстрации практических графеновых спинтронных устройств, таких как связанные наноосцилляторы для применений в областях космической связи, высокоскоростные радиолинии, радары для транспортных средств и межчиповые коммуникации.

23 июня исполнилось 108 лет со дня рождения Алана Тьюринга, известного криптографией военного времени и личной трагедией. Но его наследие намного шире. Один из истинных отцов вычислительной техники, он также сделал много других достижений, которые только сейчас становятся полностью оцененными.

По случаю этой даты ZDNet.com переиздала статью профессора математической логики в университете Лидса С. Барри Купера (S Barry Cooper), первоначально опубликованную в 2012 г. Ниже приводится ее краткое содержание.

Нет ничего примечательного в том, что достижения математиков остаются непризнанными в более широком мире, изменившемся благодаря их открытиям.

Скрытая история Алана Тьюринга является лишь особенно причудливым примером.

Жизнь и наука Тьюринга обитали в загадочной области между вычислимым и невычислимым. И в своих исследованиях, и в своей жизни он настойчиво пытался понять вещи в том, что мы можем описать только как вычислительный смысл.

Конечно, граница между вычислимым и невычислимым является опасной областью, как он обнаружил в последние годы своей жизни, принося жестокую неопределенность и довольно непредсказуемый конец.
Итак, каковы же эти 10 идей?

1. Вычисления
Машина Тьюринга сделала для вычислительной математики то же, что вычислительная математика Ньютона сделала для динамики частиц. Математика развеяла науку.

В более широком смысле это позволило многим сформулировать привычные ожидания науки, поддерживаемые Ньютоном, - так называемую лапласову модель - в рамках точной математической модели.
Сегодня мы выдвигаем некоторые из собственных вопросов Тьюринга о полноте его вычислительной модели.

2. Универсальность и программы как данные
Конечно, аспекты модели Тьюринга 1936 года ожидались другими, такими как Эмиль Пост. Ключевым дополнительным компонентом была универсальность, основанная на кодировании машин в качестве данных. Эта существенная особенность современного компьютера часто не понимается - хотя она, безусловно, была признана Джоном фон Нейманом и реализована в его отчете EDVAC 1945 года, который был столь важен в дальнейшей разработке компьютера с хранимой программой.

3. Программы как материализованные данные
Конечно, огромное количество труда и изобретательности ушло на создание универсальных машин, и вклад Тьюринга был очень важной частью этого. Ранние программируемые машины, конечно, не были универсальными. Средство обработки «программа как данные» современных компьютеров включает в себя труднопреодолимые воплощенные элементы абстракции Тьюринга.

Первым компьютером с хранимой программой, который работал, был манчестерский «Baby» 1948 года. По этому критерию выходят пионеры вычислительных машин, такие как Джон Атанасофф («первый электронный цифровой компьютер»), Чарльз Бэббидж (Аналитический движок с 1837 года), Конрад Цузе или Turing Bombe, Colossus и ENIAC - все их программы были в значительной степени записаны на внешних лентах и тому подобное.

4. Информация - скрытие и отображение
Однако рассматривая математику, нет сомнений в том, что она играет важную роль в расшифровке мира, в котором мы живем. Уинстон Черчилль, Алан Тьюринг и тысячи людей, посвятивших годы своей жизни тайной деятельности в Блетчли-Парке, были «гусями, которые несли золотые яйца», но никогда не гоготали».

5. Открытие неразрешимости
Всего за шесть лет до публикации «вычислимых чисел» Тьюринга Дэвид Гильберт громко провозгласил в Кенигсберге во вступительном слове перед Обществом немецких ученых и врачей, что:
«Для математика не существует Ignorabimus, и, на мой взгляд, и для естествознания … Истинная причина, по которой [никому] не удалось найти неразрешимую проблему, заключается в том, что, по моему мнению, нет неразрешимой проблемы».

Неразрешимая проблема Тьюринга заключалась в том, чтобы решить, будет ли его универсальная машина успешно вычисляться или нет. И следствием, известным в течение многих лет как «Теорема Чёрча», был нелогичный факт, что нет компьютерной программы для решения данного предложения логики первого порядка, является ли оно логически верным или нет.

6. Карта пути к невычислимому
Из всех работ Тьюринга его работа 1939 г. «Системы логики, основанные на порядковых числах» является наименее понятой. Была основная идея, что мы могли бы исследовать невычислимое с помощью итеративного приближения, возможно, даже найти способ вычисления за пределами барьера Тьюринга (машины).

Он обнаружил, что могут существовать вычислимые маршруты в невычислимых. Но это был поиск путей, которые победили машину. Конечно, математик очень хорошо знаком с этим явлением. Существует хорошо известная история о том, как Пуанкаре застрял в проблеме, оставил ее, чтобы путешествовать в автобусе, и решение пришло к нему полным и меметическим независимо от сознательного рационального мышления.

7. Оракулы и интерактивность
В этой длинной статье 1939 года скрыта одна страница, которая оказала огромное влияние на математику невычислимых. Мир вокруг нас - это мир информации, и мы не можем быть уверены, что вся эта информация возникла вычислимо - например, она могла быть доставлена через квантовое случайное явление, которое в недавних работах Калуде и Свозила вполне может быть связано с несовместимостью.

Как ни странно, несмотря на более поздний интерес Тьюринга к интерактивным вычислениям, он, похоже, никогда не вернулся к своей модели машины Оракула Тьюринга. Математическая разработка была оставлена Эмилю Посту и Стивену Клини и их преемникам, и с тех пор она стала богатым полем исследований, которые обещают реальную отдачу, которую Тьюринг нашел бы захватывающей.

8. Моделирование мозга
Некоторые из самых интересных работ Тьюринга - печально прерванные в 1954 году - были сделаны в последние несколько лет. Для Тьюринга человеческий мозг всегда был и вдохновением, и вызовом для его работы над вычислительными машинами. И он попытался дать характерно базовый подход как физическому, так и ментальному, этим двум утомительным спутникам философа разума.

В 1948 году Тьюринг предложил свои «неорганизованные машины», которые стали альтернативой модели нейронной сети более известным предшественникам Уоррена МакКаллока и Уолтера Питтса.

9. Тест Тьюринга и ИИ
На другом конце шкалы у нас есть знаменитая статья Тьюринга 1950 года в Mind, проницательно сужающая то, что можно разумно сказать о человеческом интеллекте, и обсуждающая в некоторых деталях его основанный на наблюдениях тест на интеллектуальную машину. Итоговый «тест Тьюринга» все еще доминирует в мышлении людей по этому вопросу.

10. Как природа вычисляет
К удивлению тех, кто находится за пределами биологии и медицины, наиболее цитируемыми из работ Тьюринга является его финальная статья за 1952 год «Химическая основа морфогенеза». И во многих отношениях это один из его самых оригинальных и, возможно, призрачных набегов в мир вычислений.

Последовательность видения Тьюринга в конце его короткой жизни дает нам морфогенез, населяющий тот же фрактальный мир, что и множество Мандельброта; тот же вычислительный мир, что и проблема остановки для универсальной машины Тьюринга; та же крупномасштабная структура, что и в наблюдаемой Вселенной.

11. Год Алана Тьюринга
Итак, что мы будем праздновать в 2012 году? Прежде всего, это должно быть дальнейшее влияние видения Тьюринга на некоторые из наиболее важных направлений исследований сегодня.

У Тьюринга был удивительный инстинкт распознавания больших вопросов о том, как устроен мир. Работа Тьюринга о природе вычислений определила компьютерную революцию, которая изменила наш мир. Мы должны отметить, как Тьюринг объединил практическое и дальновидное, и дал нам как технологические прорывы, так и постоянное ощущение тайны того, что находится за ее пределами.

Обещания, которые мы слышим о 5G, - это более высокая скорость соединения, меньшая задержка и покрытие везде. Но реальность такова, что вы можете получить одну или две из этих функций, но не все одновременно.

Стандарт 5G использует радиодиапазоны от субгигагерцевого до 40 ГГц. В сельской местности, где количество ячеек сотовой связи ограничено, спектр в диапазоне менее ГГц, безусловно, обеспечит улучшенное покрытие, но это происходит за счет скорости и задержки. Сверхбыстрая скорость соединения будет реализована на более высоких частотах (25-40 ГГц). Пользователи должны будут находиться в пределах мили от вышки сотовой связи, и городские объекты, такие как здания, транспортные средства, деревья, могут оказывать отрицательное влияние на уровень сигнала.

Лицензированные спектры 5G подавляют потенциальные помехи, которые могут возникать в нелицензированных спектрах Wi-Fi, используемых многими другими беспроводными технологиями, такими как Bluetooth и микроволновые печи. 5G будет поставляться сотовыми операторами беспроводной связи, но ее можно будет построить как частную сеть, развернув собственные точки доступа, как с Wi-Fi.

Архитектура диапазона высоких гигагерцевых частот для 5G требует большего количества точек радиодоступа. Пользователи внутри зданий должны будут проверить инфраструктуру - возможно, развернуть внутренние микроячейки, ретрансляторы и распределенные антенны - для решения проблем обслуживания внутреннего 5G.

5G нацелена на действительно мобильную связь, такую как в общественном транспорте и для транспортных средств безопасности, в открытом пространстве, например, в карьерах добычи полезных ископаемых, для мест добычи нефти и газа, в сельском хозяйстве, в некоторых производственных и студенческих или развлекательных зонах.

5G предлагает преимущества на рынке IoT (NB-IoT, LPWAN), и по мере развития стандартов технология 5G улучшит свои возможности для подключения IoT с низким энергопотреблением. В ближайшие годы развертывание 5G начнется в основных городах и определенных географических точках. Технология 4G останется распространенной в течение нескольких лет. Пользователям потребуются новые устройства, электронные защитные ключи и маршрутизаторы для подключения к услугам 5G, а для устройств IoT потребуется особая совместимость с сотовыми устройствами для подключения к 5G.

В настоящее время технология Wi-Fi зарекомендовала себя как универсальный стандарт для подключения мобильных телефонов, ноутбуков, планшетов и других портативных или стационарных устройств к локальной сети. Wi-Fi 6 (802.11ax) является последней версией Wi-Fi и обещает повышенную скорость, низкую задержку, улучшенную совокупную пропускную способность и улучшенное управление трафиком пользователей, что поможет уменьшить количество разрывов соединения.

И 5G, и Wi-Fi 6 основаны на множественном доступе с ортогональным частотным разделением каналов (OFDMA). Wi-Fi 6 менее подвержен помехам, чем предыдущие стандарты Wi-Fi, требует меньше энергии (что продлевает срок службы батареи устройства) и имеет улучшенную спектральную эффективность. По сути, это лучше при упаковке данных в сигнал.
Wi-Fi 6 предлагает полную поддержку таких технологий, как качество многопользовательского, множественного входа и множественного выхода (MU-MIMO), что значительно улучшит совместимость мобильных устройств. Это должно ускорить доставку контента. Технология Wi-Fi 6 также обратно совместима со старыми стандартами Wi-Fi.

Реальность такова, что 5G и Wi-Fi 6 развиваются параллельно; эти две технологии в значительной степени дополняют друг друга.

Инженеры первыми создали высокопроизводительное невзаимное устройство на компактной микросхеме, производительность которого в 25 раз выше, чем в предыдущей работе.

Волны, будь то световые, звуковые или любые другие, распространяются одинаково в прямом и обратном направлениях - это известно как принцип взаимности. Если бы мы могли направлять волны только в одном направлении - нарушая взаимность - мы могли бы преобразовать ряд приложений, важных в нашей повседневной жизни. Нарушение взаимности позволило бы нам создавать новые «односторонние» компоненты, такие как циркуляторы и изоляторы, которые обеспечивают двустороннюю связь, что может удвоить емкость данных современных беспроводных сетей. Эти компоненты необходимы для квантовых компьютеров, где каждый хочет прочитать кубит, не нарушая его. Они также имеют решающее значение для радиолокационных систем, будь то автомобили с автоматическим управлением или те, которые используются военными.

Команда, возглавляемая профессором электротехники Харишем Кришнасвами (Harish Krishnaswamy), первой создала высокопроизводительное невзаимное устройство на компактной микросхеме, производительность которого в 25 раз лучше, чем в предыдущей работе. Управление питанием является одним из наиболее важных показателей для этих циркуляторов, и новый чип Кришнасвами может давать несколько ватт мощности, что достаточно для передатчиков мобильных телефонов, которые выдают ватт или около того мощности. Новый чип был ведущим компонентом в программе DARPA SPAR (Обработка сигналов на радиочастоте) для миниатюризации этих устройств и улучшения показателей производительности. Группа Кришнасвами была единственной, кто интегрировала эти невзаимные устройства в компактную микросхему, а также продемонстрировала показатели производительности, которые были на порядок выше, чем в предыдущей работе. Исследование было опубликовано 4 мая 2020 года в журнале Nature Electronics.

«Для того, чтобы эти циркуляторы могли использоваться в практических целях, они должны иметь возможность управлять мощностью порядка ватта без перегрева, - говорит Кришнасвами, чьи исследования направлены на разработку интегрированных электронных технологий для новых высокочастотных беспроводных приложений. - Наши ранние устройства работали со скоростью в 25 раз меньшей, чем у этого нового. Наше устройство 2017 года было интересным научным курьезом, но оно не было готово к прайм-тайм. Теперь мы выяснили, как построить эти односторонние устройства в компактный чип, что позволяет им стать небольшими, дешевыми и широко распространенными. Это превратит все виды электронных приложений, от гарнитур виртуальной реальности до сотовых сетей 5G в квантовые компьютеры».

Традиционные «односторонние» устройства создаются с использованием магнитных материалов, таких как ферриты, но эти материалы не могут быть интегрированы в современные процессы изготовления полупроводников, поскольку они слишком громоздки и дороги. Хотя создание невзаимных компонентов без использования магнитных материалов имеет долгую историю, достижения в области полупроводниковых технологий выдвинули его на передний план. Группа Кришнасвами была сосредоточена на разработке изменяющихся во времени цепей, в частности цепей, управляемых тактовым сигналом, которые, как было показано, достигают невзаимных ответов.

Первоначальное открытие было сделано в 2017 году, когда аспирантка Кришнасвами Негар Рейскаримиан (Negar Reiskarimian), которая в настоящее время является доцентом в МТИ и соавтором исследования, экспериментировала с новым типом схемы, называемой фильтром с разветвлением на N путей. Она пыталась создать устройство другого типа, называемое дуплексором, которое обеспечивает одновременную передачу и прием, но на двух отдельных частотах. Экспериментируя с этой схемой, она соединила ее в петлю и увидела это поведение невзаимной циркуляции.

«Сначала мы не верили тому, что видели, и были уверены, что симулятор сломан, - говорит Кришнасвами. - Но когда мы нашли время, чтобы разобраться в этом, мы поняли, что это было что-то новое и действительно значительное».

В течение последних четырех лет группа Кришнасвами была в основном сосредоточена на применениях невзаимности в беспроводных приложениях, таких как полнодуплексная беспроводная связь. Теперь, разработав этот многообещающий новый компактный чип, они переключают свое внимание на квантовые вычисления. Квантовые компьютеры используют такие компоненты, как циркуляторы и изоляторы, чтобы считывать кубиты, не разрушая их. Магнитные циркуляторы и изоляторы в настоящее время используются в этих криогенных квантовых компьютерах, но они имеют большие размеры и дороги, что создает одно из узких мест для реализации квантовых компьютеров с большим числом кубитов. Группа Кришнасвами изучает возможность использования сверхпроводящих джозефсоновских переходов, той же технологии, которая применялась для создания кубита, чтобы создать криогенные циркуляторы в масштабе чипа, которые можно напрямую интегрировать с кубитами, что значительно снижает стоимость и размер.

Новый метод малой мощности для обнаружения спина электронов в немагнитной системе может помочь в разработке устройств спинтроники, которые работают с использованием сегнетоэлектричества, а не ферромагнетизма. Такие устройства могут в конечном итоге сформировать основу нового поколения эффективных низкоэнергетических компьютерных процессоров и, таким образом, помочь поддерживать прогресс в высокоскоростной обработке информации.

В течение более полувека вычислительная мощность росла в геометрической прогрессии. Однако в последнее время этот рост по «закону Мура» замедлился, поскольку становится все труднее сделать обычные транзисторы меньше, чем они уже есть. Поэтому исследователи ищут способы, позволяющие наращивать вычислительную мощность, даже если традиционное масштабирование по размерам выходит за рамки фундаментальных ограничений.

Среди множества исследуемых решений - те, которые стремятся снизить потребление энергии в полевых транзисторах (FET), которые составляют основу современных кремниевых компьютерных чипов. Один из способов сделать это - заменить обычные транзисторы альтернативной версией, для которой не требуется непрерывный источник питания для поддержания его состояния «ВКЛ» или «ВЫКЛ».

Спинтроника, которая использует спин электронов (или собственный угловой момент), а не их заряд для хранения и обработки информации, может предложить способ достижения этой цели. Поскольку спины электронов могут быть направлены «вверх» или «вниз», это двоичное свойство можно использовать для выполнения логических операций в спинтронных схемах почти так же, как электрический заряд используется в электронных схемах. Ключевое преимущество заключается в том, что, когда спин электрона меняет направление, его новое состояние сохраняется постоянно (то есть, оно энергонезависимо). Следовательно, схемы спинтроники не требуют никакой дополнительной входной мощности, чтобы их состояния оставались стабильными.

Однако схемы на основе спинтроники имеют большой недостаток для защитников эффективности. В спинтронике информация передается или управляется через спиновые токи, которые состоят из электронов с противоположными спинами, движущимися в противоположных направлениях. Эти токи обычно генерируются с использованием ферромагнитных материалов. Это проблема, потому что намагниченность таких материалов не может быть переключена, кроме как путем применения очень сильных магнитных полей или токов. Следовательно, в любом практическом переключаемом устройстве энергетическое преимущество, связанное с энергонезависимым хранением, будет быстро уничтожено.

Исследователи из лаборатории Spintec (CNRS / CEA / Université Grenoble Alpes) и лаборатории CNRS / Thales, возглавляемой Жаном-Филиппом Аттане (Jean-Philippe Attané) и Мануэлем Бибесом (Manuel Bibes), в настоящее время разработали новый, более низкоэнергетический способ управления спиновыми токами.

В их методе используется ультратонкий слой проводящих электронов, технически известный как двумерный (2D) электронный газ, который развивается на границе раздела между титанатом стронция (электрическим изолятором в чистом виде) и покрывающим слоем алюминия.

Исследователи начали с инжекции спинового тока из ферромагнитного никель-железного сплава в титанат стронция (SrTiO3). Как только электроны удерживаются в двумерном электронном газе, их спин связывается с импульсом благодаря явлению, известному как спин-орбитальное взаимодействие. «Этот эффект преобразует спиновый ток в обычный зарядный ток, что позволяет нам обнаруживать инжектируемые спины», - объясняют Аттане и Бибес.

Затем команда приложила напряжение к изолирующему слою SrTiO3 под электронным газом, чтобы настроить спин-орбитальную связь и, таким образом, направление тока заряда. В этот момент они обнаружили, что изолирующий слой SrTiO3 ведет себя как сегнетоэлектрический материал, то есть имеет постоянный электрический дипольный момент, так же как ферромагнитный материал имеет постоянный магнитный дипольный момент. Это является значительным преимуществом, поскольку электрические дипольные моменты могут быть ориентированы с использованием электрических полей, которыми намного легче управлять, чем магнитными полями, необходимыми для переключения намагниченности ферромагнитных материалов.

Аттане и Бибес и их коллеги также подтвердили, что направление общей электрической поляризации SrTiO3 зависит от полярности приложенного напряжения. Эта электрическая поляризация сохраняется даже при отключении электрического поля, что означает, что они могут постоянно управлять спин-орбитальной связью и, таким образом, направлением тока заряда, возникающего из спинового тока.

Свет становится ведущим средством обработки информации в компьютерах и телекоммуникациях, поскольку наша потребность в повышении энергоэффективности и пропускной способности увеличивается.

Уже являясь золотым стандартом межконтинентальной связи через волоконную оптику, фотоны заменяют электроны в качестве основных носителей информации в оптических сетях и в сердце самих компьютеров.

Тем не менее, остаются существенные инженерные барьеры для завершения этой трансформации. Отраслевые стандартные кремниевые схемы, поддерживающие свет, более чем на порядок больше, чем современные электронные транзисторы. Одним из решений является «сжатие» света с использованием металлических волноводов - однако для этого потребуется не только новая производственная инфраструктура, но и то, как свет взаимодействует с металлами на микросхемах, поскольку фотонная информация легко теряется.

В настоящее время ученые в Австралии и Германии разработали модульный метод проектирования наноразмерных устройств, чтобы помочь преодолеть эти проблемы, сочетая лучшее из традиционной конструкции чипа с фотонной архитектурой в гибридной структуре. Их исследование опубликовано в Nature Communications.

«Мы построили мост между стандартными кремниевыми фотонными системами и металлическими волноводами, которые можно сделать в 100 раз меньшим, сохранив при этом эффективность», - сказал ведущий автор д-р Алессандро Туниц (Alessandro Tuniz) из Наноинститута Сиднейского университета и Школы физики.

Этот гибридный подход позволяет манипулировать светом на наноуровне, измеряемым в миллиардных долях метра. Ученые показали, что они могут достичь манипулирования данными в 100 раз меньшими, чем длина волны света, несущего информацию.

«Такая эффективность и миниатюризация будут важны при преобразовании компьютерной обработки, основанной на свете. Она также будет очень полезна при разработке квантово-оптических информационных систем, многообещающей платформы для будущих квантовых компьютеров, - сказал доцент Стефано Паломба (Stefano Palomba), соавтор из Сиднейского университета и лидер нанофотоники в сиднейском Наноинституте. - В конечном итоге мы ожидаем, что фотонная информация будет мигрировать в ЦП, сердце любого современного компьютера. Такое видение уже разработано IBM».

Встроенные устройства нанометрового масштаба, в которых используются металлы (известные как «плазмонные» устройства), обеспечивают функциональность, недоступную ни одному обычному фотонному устройству. В частности, они эффективно сжимают свет до нескольких миллиардных долей метра и таким образом достигают чрезвычайно улучшенных, без помех, взаимодействий света и вещества.

«Наряду с революцией в общей обработке, это очень полезно для специализированных научных процессов, таких как наноспектроскопия, атомное зондирование и детекторы наноразмеров», - сказал д-р Туниц.

Однако достижение их универсальной функциональности было затруднено из-за использования специальных конструкций.

«Мы показали, что две отдельные конструкции могут быть объединены вместе для улучшения стандартного чипа, который раньше не делал ничего особенного», - сказал д-р Туниц.

Этот модульный подход обеспечивает быстрое вращение поляризации света в микросхеме и благодаря этому вращению позволяет достичь фокуса примерно в 100 раз меньшего, чем длина волны.

Проф. Мартейн де Стерке (Martijn de Sterke) - директор Института фотоники и оптических наук Сиднейского университета, сказал: «Будущее обработки информации, вероятно, будет включать в себя фотоны с использованием металлов, которые позволяют нам сжимать свет до наноразмеров и интегрировать эти конструкции в обычную кремниевую фотонику».

Исследовательская группа: (слева направо) доц. Стефано Паломба, д-р Алессандро Туниц и проф. Мартейн де Стерке

В 2005 г. журнал Science спросил, возможно ли разработать магнитный полупроводник, который мог бы работать при комнатной температуре. Теперь, всего пятнадцать лет спустя, исследователи разработали эти материалы в двухмерной форме, решая одну из самых неразрешимых проблем науки.

По мере того, как наши смартфоны, ноутбуки и компьютеры становятся меньше и быстрее, так же становятся меньше и транзисторы внутри них, которые контролируют поток электричества и хранят информацию. Но традиционные транзисторы нельзя сильно сжать. Теперь исследователи из Технологического института Стивенса разработали новый атомарно тонкий магнитный полупроводник, позволяющий разрабатывать новые транзисторы, которые работают совершенно по-другому; они могут не только использовать заряд электрона, но и спин, обеспечивая альтернативный путь к созданию все меньшей и более быстрой электроники.

Вместо того чтобы полагаться на создание все более мелких электрических компонентов, новое открытие, о котором сообщалось в журнале Nature Communications, потенциально может стать критически важной платформой для развития спинтроники, принципиально нового способа работы с электроникой и крайне необходимой альтернативе продолжению миниатюризации стандартных электронных устройств. В дополнение к снятию барьера для миниатюризации, новый атомно-тонкий магнит может также обеспечить более высокую скорость обработки, меньшее энергопотребление и увеличенную емкость хранилища.

«Двумерный ферромагнитный полупроводник - это материал, в котором ферромагнетизм и полупроводниковые свойства сосуществуют, и поскольку наш материал работает при комнатной температуре, он позволяет нам легко интегрировать его с устоявшейся полупроводниковой технологией», - сказал Э.Х. Ян (EH Yang), профессор машиностроения в Технологическом институте Стивенса, который руководил этим проектом.

«Напряженность магнитного поля в этом материале составляет 0,5 мТл; хотя такая слабая напряженность магнитного поля не позволяет нам подхватить скрепку, она достаточно велика, чтобы изменить спин электронов, что может быть использовано для применений квантовых битов», - сказал Стефан Страуф (Stefan Strauf), профессор физики в Стивенсе.

Когда компьютеры были впервые построены, они заполняли всю комнату, но теперь они могут поместиться в вашем заднем кармане. Причиной этого является закон Мура, согласно которому каждые два года число транзисторов, устанавливаемых на компьютерный чип, удваивается, что фактически удваивает скорость и возможности гаджета. Но транзисторы могут стать настолько маленькими, что электрические сигналы, которыми они должны управлять, больше не будут подчиняться их командам.
Хотя большинство прогнозистов ожидают, что закон Мура закончится к 2025 году, были исследованы альтернативные подходы, которые не зависят от физического масштабирования.

Управление спином электронов, вместо того, чтобы полагаться исключительно на их заряд, может обеспечить решение в будущем.
Создание нового магнитного полупроводника с использованием двумерных материалов - то есть толщиной в два атома - позволит разработать транзистор для управления электричеством с контролем спина электрона, вверх или вниз, в то время как все устройство остается легким, гибким и прозрачным.

Используя метод, названный in situ, замещающим легированием, проф. Ян и его команда успешно синтезировали магнитный полупроводник, в результате чего кристалл дисульфида молибдена замещается атомами железа. Во время этого процесса атомы железа отталкивают некоторые атомы молибдена и занимают свое место в точном месте, создавая прозрачный и гибкий магнитный материал - опять же, толщиной всего два атома. Материал остается намагниченным при комнатной температуре, и, поскольку он является полупроводником, он может быть непосредственно интегрирован в существующую архитектуру электронных устройств в будущем.

«Чтобы сделать что-то существенное в науке, нужно, чтобы другие сотрудничали с вами, - сказал доктор философии Шичень Фу (Shichen Fu), студент машиностроительного факультета в Стивенсе. - На этот раз мы собрали всех нужных людей - лаборатории с разными сильными сторонами и разными перспективами - чтобы это произошло».

Исследователи разработали новый резонансный туннельный диод (RTD) с характеристиками, превышающими ожидаемую скорость 5G.

Дэвид Сторм (David Storm), физик-исследователь, и Тайлер Гроуден (Tyler Growden), инженер-электрик, оба из Исследовательской лаборатории ВМС США, разработали новый электрический компонент на основе нитрида галлия, названный резонансным туннельным диодом (RTD), с характеристиками, превышающими ожидаемую скорость 5G.

Результаты исследований электронных компонентов диодов Сторма и Гроудена были опубликованы в академическом журнале Applied Physics Letters.

«Наша работа показала, что RTD на основе нитрида галлия не являются медленными по своей природе, как другие предположили, - сказал Гроуден. - Они хорошо сравниваются по частоте и выходной мощности с RTD из разных материалов».

Диоды позволяют чрезвычайно быстро переносить электроны, чтобы воспользоваться преимуществом явления, называемого квантовым туннелированием. В этом туннелировании электроны создают ток, проходя через физические барьеры, используя свою способность вести себя как частицы и волны.

Конструкция Сторма и Гроудена для диодов на основе нитрида галлия показала рекордные значения выходного тока и скорости переключения, что позволило применять приложения, требующие электромагнитного поля в миллиметровом диапазоне частот и частот в терагерцах. Такие приложения могут включать связь и сетевое взаимодействие.

Команда разработала повторяемый процесс для увеличения выхода диодов примерно до 90%; предыдущие типичные выходы колеблются около 20%.

По словам Сторма, достижение высокой производительности операционных туннельных устройств может быть затруднено, поскольку они требуют четких интерфейсов на атомном уровне и очень чувствительны ко многим источникам рассеяния и утечки.

Подготовка образца, равномерный рост и контролируемый процесс изготовления на каждом этапе были ключевыми элементами для удовлетворительных результатов диодов на чипе.

«До сих пор с нитридом галлия было трудно работать с точки зрения производства, - сказал Сторм. - Мне неприятно это говорить, но наша высокий выход был такой же простой, как падение с бревна, и во многом это было связано с нашим дизайном».

Сторм и Гроуден заявили, что они намерены продолжать совершенствовать свою конструкцию RTD, чтобы улучшить выходной ток без потери потенциала мощности. Они выполняли свою работу вместе с коллегами из Университета штата Огайо, Университета штата Райт, а также с отраслевыми партнерами.

Дэвид Сторм, физик-исследователь, и Тайлер Гроуден, научный сотрудник Национального исследовательского совета, в Исследовательской лаборатории ВМС США с их системой молекулярно-лучевой эпитаксии, которая разрабатывает полупроводники на основе нитрида галлия (GaN)

Квантовые спиновые жидкости являются кандидатами для потенциального использования в будущих информационных технологиях. До сих пор квантовые спиновые жидкости обычно были обнаружены только в одной или двухмерных магнитных системах. В настоящее время международная группа исследовала кристаллы PbCuTe2O6 с помощью нейтронных экспериментов.

Они обнаружили поведение спиновой жидкости в 3D благодаря так называемой гипер-гиперкагомной решетке. Экспериментальные данные очень хорошо соответствуют теоретическому моделированию, также проведенному в HZB.

ИТ-устройства сегодня основаны на электронных процессах в полупроводниках. Следующим настоящим прорывом может стать использование других квантовых явлений, например, взаимодействия между спинами. Так называемые квантово-спиновые жидкие материалы могут быть кандидатами на такие новые технологии. Они значительно отличаются от обычных магнитных материалов, потому что в магнитных взаимодействиях преобладают квантовые флуктуации: из-за геометрических ограничений в кристаллической решетке спины не могут все «замерзнуть» вместе в основном состоянии - они вынуждены колебаться даже при температурах, близких к абсолютному нулю.

Квантовые спиновые жидкости редки и до сих пор были обнаружены в основном в двумерных магнитных системах. Трехмерные изотропные спиновые жидкости в основном используются в материалах, в которых магнитные ионы образуют пирохлорные или гиперкагомные решетки. Международная группа, возглавляемая физиком из HZB, профессором Беллой Лейк (Bella Lake), в настоящее время исследовала образцы PbCuTe2O6, который имеет трехмерную решетку, называемую гипер-гиперкагомной решеткой.

Физик из HZB, профессор Йоханнес Ройтер (Johannes Reuther), рассчитал поведение такой трехмерной гипер-гиперкагомной решетки с четырьмя магнитными взаимодействиями и показал, что система демонстрирует квантово-спиновое поведение жидкости с определенным спектром магнитной энергии.

С помощью нейтронных экспериментов в ISIS, Великобритания, ILL, Франция и NIST, США, команда смогла доказать наличие очень слабых сигналов этого предсказанного поведения. «Мы были удивлены, насколько хорошо наши данные вписываются в расчеты. Это дает нам надежду, что мы действительно сможем понять, что происходит в этих системах», - объясняет первый автор доктор Шравани Чиллал (Shravani Chillal) из HZB.

Два из четырех магнитных взаимодействий образуют новую трехмерную сеть треугольников с общим углом, известную как гипер-гиперкагомная решетка, что приводит к поведению квантовой спиновой жидкости в PbCuTe2O6