Новый тип транзистора, напоминающего формой новогоднюю елку, создан исследователями из университетов Пердью и Гарварда. Он сделан из материала, который мог бы заменить кремний уже через 10 лет.

Каждый транзистор содержит три тонких нанопроволоки, сделанных из арсенида индия-галлия. Три нанопроволоки последовательно уменьшаются, образуя конусообразное сечение, похожее на новогоднюю елку. Исследование основано на предыдущей работе, в которой команда создала 3-D структуру взамен традиционного плоского транзистора. Используемый подход мог бы позволить инженерам строить более компактные, производительные и эффективные БИС и более легкие лэптопы, генерирующие меньше тепла, чем сегодняшние. Новая разработка показывает, как улучшить производительность устройств, соединяя транзисторы вертикально в параллельную цепь.

«Соединение транзисторов в стек дает в результате больший ток и ускорение операций для высокоскоростных вычислений. Это прибавляет новое измерение, поэтому я назвал их 4-D», - сказал проф. Пейд «Питер» Е (Peide "Peter" Ye) из Университета Пердью.

Новейшее поколение кремниевых компьютерных чипов, представленное в 2012 г., содержит транзисторы, имеющие вертикальную 3-D структуру взамен обычной плоской конструкции. Однако поскольку у кремния подвижность электронов ограничена, то вскоре понадобятся другие материалы, чтобы продолжать улучшать 3-D транзисторы.

Среди этих материалов – арсенид индия-галлия, который сегодня интенсивно изучается с целью замены им кремния. Такие полупроводники называются материалами III-V, поскольку являются комбинацией элементов из III и V групп таблицы Менделеева.

Современные полевые транзисторы содержат важные элементы, называемые затворами. Чем меньше затвор, тем выше быстродействие. В кремниевых 3-D транзисторах длина затвора около 22 нм. Затворы такой длины плохо работают в плоских транзисторах, именно поэтому нужна 3-D структура. Ожидается, что к 2015 г. длина затвора сократится до 14 нм, а к 2018 г. – до 10 нм. Однако дальнейшее уменьшение затворов в кремниевых транзисторах будет невозможным, поэтому и нужны новые материалы.

Создание меньших транзисторов потребует также новых изоляторов. При уменьшении длины затвора менее 14 нм, в диэлектриках, используемых в обычных транзисторах, начинается утечка заряда.

Нанопроволоки в новых транзисторах покрываются разными типами композитных изоляторов: слоем алюмината лантана толщиной 4 нм со сверхтонким полунанометровым слоем окисла алюминия. Новый сверхтонкий диэлектрик позволяет исследователям создавать транзисторы из арсенида индия-галлия с затворами 20 нм.

Изображение сечения нового типа транзистора, полученное с помощью электронного микроскопа

Исследователи из Технического колледжа Вирджинии объявили об автономной медузе-роботе размером и весом с взрослого человека – длиной 170 см и массой 71 кг.

Робот-прототип, которого назвали Cyro, является большой моделью медузы, созданной командой во главе с проф. Шашанком Прайя (Shashank Priya) из Блэксберга (штат Вирджиния). Робот, созданный ранее этой же командой, имел размеры человеческой руки.

«Большая машина допускает большие нагрузки, количество операций и более длительную работу, - сказал докторант Алекс Виллануейва (Alex Villanueva). – Расчеты показывают, что более крупные машины имеют более низкую стоимость плавания».

Цель проекта, который субсидируется ВМС США, разместить автономные машины в воде для мониторинга окружающей среды, вдобавок к другим функциям, таким как изучение водной жизни, картографирование дна океана и наблюдение за океанскими течениями.

Медузы является привлекательным кандидатом для моделирования, поскольку они поглощают мало энергии и имеют более низкий уровень метаболизма, чем другие виды. Кроме этого, они обладают разнообразными размерами, формами и цветами, что дает разнообразие конструкций.

Имя модели Cyro является производным от слов Cyanea (названия медузы) и robot. Пока это лишь прототип, и до его практического использования пройдет несколько лет.

Между большими и маленькими роботами существует большое различие. Cyro питается от перезаряжаемых никель-металлгидридных аккумуляторов, тогда как для меньших моделей питание подводилось по проводам.

«Cyro показала способность плавать автономно, а по виду и кинематике она подобна живой медузе», - сказал проф. Прайя, добавив, что робот способен одновременно собирать, сохранять, анализировать и обмениваться данными.

Как же робот плавает? Его тело состоит из жесткой несущей структуры с электродвигателем постоянного тока, который управляет механическими руками, использующимися в сочетании с искусственной мезоглеей, или медузоподобной мякотью, создающей гидродинамическое движение.

Не имея центральной нервной системы, медузы взамен используют диффузную нервную сеть для управления движением, которая может выполнять сложные функции.

Как и в случае меньшей модели, кожа Cyro состоит из толстого слоя силикона. Она похожа на гладкую кожу медузы и покрывает шарообразное устройство, содержащее электронные внутренности робота. При движении кожа выглядит как живая.

«Создание таких роботов - большое событие для нас, - сказал проф. Прайя. – Природа имеет много секретов, и мы открыли лишь малую их часть. Мы надеемся найти способы продолжит наше путешествие и решить оставшиеся загадки».

Команда студентов из Национального научного центра Вирджинии тестирует пятифутовую медузу-робота, размером 1,7 м

Большинство процессов в физике элементарных частиц инвариантно относительно обращения времени. Так, просматривая «видеозапись» процесса упругого рассеяния в прямом и обратном воспроизведении, нельзя будет обнаружить каких-либо нарушений физических законов.

Недавно в эксперименте BaBar (от В-мезон и B-bar-мезон, т.е. В с черточкой) в Национальной ускорительной лаборатории при SLAC выполнили первое прямое наблюдение давно обсуждаемого в теории исключения из этого правила.

Перелопатив данные по столкновениям частиц почти за 10 лет, исследователи обнаружили, что определенные типы частиц превращаются друг в друга более часто одним путем, чем это происходит другим, нарушая тем самым временную симметрию и подтверждая, что некоторые субатомные процессы имеют преимущественное направление во времени.

BaBar, который собирал данные, получаемые на SLAC, с 1999 по 2008 годы, был разработан с целью обнаружить различие в поведении материи и антиматерии, что могло бы объяснить преобладание материи во Вселенной. В эксперименте генерируется почти 500 млн. пар частиц, называемых В-мезонами, и их античастиц, B-bar-мезонов. Ученые обнаружили, что, в самом деле, эти мезоны ведут себя различно, нарушая так называемую СР-симметрию – инвариантность относительно изменения знака заряда и знаков всех пространственных осей. Открытие нарушения СР-инвариантности было отмечено Нобелевской премией по физике за 2008 г.

СР-симметрия связана с симметрией во времени знаменитой СРТ-теоремой, которая устанавливает, что уравнения движения для системы частиц должны быть инвариантны относительно этих трех преобразований. Если одна из симметрий нарушается, то это должно быть компенсировано нарушением другой. Так как эксперименты BaBar обнаружили нарушение СР-инвариантности, то теорема требует нарушения и Т-инвариантности.

Анализ нарушения Т-инвариантности базировался на концепции, предложенной в 1999 г. Ученые исследовали цепочку преобразований частиц, в которой В-мезон совершал переходы между двумя состояниями, называемыми B-zero и B-even. Используя квантовое зацепление В-мезонов, которое позволяет получить информацию о первой распадающейся частице для определения состояния ее партнера во время распада, ученые смогли найти, что эти преобразования происходят в шесть раз чаще в одном направлении, чем в другом.

Нарушение Т-симметрии ранее было отмечено для нейтральных К-мезонов на эксперименте CPLEAR в ЦЕРН, но тогда измерение не было прямым, вследствие невозможности отделить нарушение Т-инвариантности от нарушения СР-инвариантности, и интерпретация этих результатов вызывала некоторый скептицизм.

Майкл Рони (Michael Roney), профессор и представитель Университета Виктории в Канаде, отметил, что данные BaBar являются крайне плодотворными и продолжают давать важные результаты, подобные данной уникальной и однозначной проверке квантовой теории поля.

На иллюстрации два различных В-мезона изменяют свои состояния (представленные цветом). Однако синий В-мезон преобразуется в красный В-мезон быстрее, чем красный преобразуется в синий. При этих преобразованиях нарушается симметрия времени. Изменения случаются с разной частотой, когда время идет вперед и когда оно идет назад

Емкость жестких дисков может быть увеличена в пять раз благодаря процессу, разработанному химиками и инженерами Техасского университета в Остине.

Если магнитные домены, на которые записываются данные, изолировать друг от друга немагнитным материалом, плотность записи можно значительно увеличить. Этого можно достичь с помощью блоксополимеров. При соответствующей обработке они могут самособираться в высокорегулярную структуру точек или линий. Если поверхность, на которую их наносят, уже имеет нужный шаблон, точки или линии будут образовывать точную картину, необходимую для жесткого диска.

Этот процесс, который называется прямой самосборкой (DSA), был первоначально предложен в Университете Висконсина и в МТИ.

В работе с прямой самосборкой командой был достигнут значительный прогресс. Они синтезировали блоксополимеры, которые самособирались в наименьшие точки в мире. В некоторых случаях они формировали правильную плотную структуру за время, меньшее минуты.

Что более важно, команда разработала специальный верхний слой, который покрывает блоксополимеры во время их самосборки. Это верхний слой позволяет полимерам принять правильную ориентацию относительно плоскости поверхности простым нагреванием.

Сравнение самосборки блоксополимеров с новым верхним слоем и без него. В обоих случаях самосборка происходит при очень простых условиях: 210°C за 1 мин на горячей пластине на открытом воздухе

Ученые из Кембриджа, работающие на Большом адронном коллайдере (БАК), обнаружили один из редчайших в природе распадов частицы. Результат очень неприятный для новых теорий, подобных крайне популярной теории суперсимметрии.

Современное знание о большинстве фундаментальных частиц (кварков и лептонов) и силах, действующих между ними, строится на так называемой Стандартной модели. Массы частиц обусловлены их взаимодействием с полем Хиггса.

Однако Стандартная модель не является полной – она не включает гравитацию и не объясняет 95% состава Вселенной в форме темной материи и темной энергии.

Теория суперсимметрии призвана заполнить некоторые бреши в Стандартной модели. Так как она предсказывает новые явления, то может быть хорошо проверена на БАК. Очень хорошим методом является поиск распада странного Bs-мезона (состоит из b-кварка и s-антикварка) на два мюона. Ожидается, что это очень редкое событие, однако его вероятность становится более высокой, если справедлива новая физика.

Этот распад наблюдался впервые при проведении эксперимента LHC beauty (LHCb). Каждое столкновение разогнанных до субсветовых скоростей протонов порождало ливень частиц, среди которых изредка встречались Bs. Они крайне нестабильны и практически мгновенно распадаются. И все же за время своей короткой жизни Bs-мезон пролетает около 1 см, что позволяет его определить на LHCb-детекторе. Он имеет множество схем распада, среди которых крайне редко (1 случай на 300 млн) – на два мюона.

Команда физиков проанализировала огромное количество столкновений в поисках этого распада. В итоге они обнаружили дюжину вероятных кандидатов. Наблюдение этого сверхредкого распада является одним из триумфов LHCb.

Проф. Вал Гибсон (Val Gibson), руководитель кембриджской команды, сказал: «Наблюдение этого очень редкого распада является ключевым результатом, который вводит наших «суперсимметричных» коллег в штопор».

Наблюдения является успехом предсказаний Стандартной модели, но приносит очень плохие новости тем, кто поддерживает теорию суперсимметрии. «Если новая физика и существует, тогда она очень хорошо прячется за Стандартной моделью», — комментирует полученный результат д-р Марк-Оливер Беттлер (Marc-Olivier Bettler) из Кембриджа.

Основное взаимодействие

Проф. Лун Цюэ (Long Que) из Техасского университета в Арлингтоне помог создать гибридный наноматериал, который может преобразовывать свет и тепло в электрическую энергию, превзойдя предыдущие методы, использовавшие либо свет, либо тепло, но не оба вместе.

Группа под его руководством синтезировала комбинацию наночастиц сульфида меди и одностеночных углеродных нанотрубок. Команда использовала наноматериал, чтобы построить прототип термоэлектрического генератора, который, как они надеются, может достичь мощности в несколько милливатт. Объединенная с микрочипами технология может быть использована в таких устройствах, как автономные датчики, электронные устройства с низким потреблением энергии и имплантируемые биомедицинские микроустройства.

«При большом количестве микроустройств на чипе, эта технология может предоставить новую и эффективную платформу для дополнения или даже замены современных солнечных элементов», - сказал проф. Вэй Чэнь (Wei Chen), один из участников разработки.

В лабораторных тестах новая тонкопленочная структура показала увеличение поглощения света на 80% по сравнению с тонкой пленкой одностенных нанотрубок.

Новый гибридный наноматериал может быть использован для преобразования света и тепла в электрическую энергию

Исследователи из Института Карнеги открыли новый эффективный способ накачки тепла с помощью кристаллов. Кристаллы могут доставлять или отбирать тепло даже на наношкале, поэтому они могли бы быть использованы для охлаждения компьютерных чипов, перегревание которых является основной причиной ограничения быстродействия компьютеров.

Исследование выполнили Рональд Коэн (Ronald Cohen) из геофизической лаборатории Карнеги и Мэймон Роуз (Maimon Rose) из Чикагского университета. Они провели симуляцию на кристаллах сегнетоэлектриков, которые проявляют спонтанную поляризацию в отсутствии электрического поля. Поляризация может быть обращена с помощью внешнего электрического поля. Ученые обнаружили, что присутствие электрического поля вызывает гигантские температурные изменения в материале, удвоенный электрокалорический эффект, намного выше температуры состояния параэлектрика.

«При электрокалорическом эффекте выделяется тепло благодаря изменению температуры при приложении электрического поля, - объяснил д-р Коэн. – Этот эффект известен еще с 1930-х годов, но не использовался, поскольку имеющиеся тогда материалы обладали высокой температурой перехода (точка Кюри). Мы обнаружили, что эффект усиливается, если окружающая температура намного выше температуры перехода, поэтому предпочтительнее являются материалы с низкой температурой перехода».

Выше температуры перехода сегнетоэлектрик становится параэлектриком (аналог парамагнетикам), то есть теряет спонтанную поляризацию в отсутствии электрического поля.

Роуз и Коэн использовали симуляцию динамики молекул на атомной шкале, во время которой они исследовали поведение атомов сегнетоэлектрика ниобата лития как функцию температуры и электрического поля.

«Ниобат лития ранее не изучался таким образом. Мы были приятно удивлены, когда увидели высокие температурные изменения», - отметил д-р Роуз.

Рисунок показывает симуляцию динамики молекул ниобата лития при изменении электрического поля, которое изменяет знак поляризации. Ниобий (красный) и кислород (зеленый) показаны только для одной итерации во времени. Литий показывает серию цветов для разных шагов времени. Изображение является лишь малой частью действительной симуляции

Исследователи, используя Linac Coherent Light Source (LCLS) при Национальной ускорительной лаборатории им. Ферми (Фермилаб), нашли способ лишить атомы ксенона большинства электронов, создав «сверхзаряженное» состояние при энергиях, ранее считавшихся слишком низкими.

Открытие, которое противостоит и ожиданиям и теории, могло бы помочь ученым умышленно вызывать высокий уровень повреждений, необходимый для изучения экстремальных состояний материи, или предотвращать повреждения в образцах, изображения которых они пытаются получить.

«Наши результаты дают «рецепт» для максимизации потерь электронов образцом, - сказал Дэниел Роллес (Daniel Rolles), ученый из Группы передовых исследований Макса Планка, (Гамбург, Германия). – Например, исследователи могут использовать наше открытие, если их интересует создание высоко заряженной плазмы. Или, если сверхзаряженное состояние не является частью их исследования, они могут использовать наше открытие, чтобы знать, каких энергий рентгеновских лучей нужно избегать».

Хотя было общеизвестно, что вызываемый в атомах резонанс будет воздействовать на их заряд, «но никто не предполагал, какой сильный эффект это может иметь в тяжелых атомах, когда они ионизируются источником, подобным LCLS», - отметил Роллес.

По мнению Роллеса, вдобавок к созданию (или предотвращению) сверхзаряженной плазмы в экспериментах, сильные изменения, вызванные резонансным поглощением рентгеновских лучей, могут со временем быть использованы для улучшения разрешающей способности изображений, получаемых при экспериментах с LCLS.

Сверхъяркие импульсы рентгеновского лазера LCLS могут быть использованы, чтобы срывать электроны с атомов, создавая сильно заряженные ионы

Полностью новый метод производства минимальных структур в электронике может привести к тысячекратному ускорению и удешевлению получения полупроводников.

Вместо того чтобы начинать с кремниевых пластин или других подложек, как это делается сегодня, исследователи сделали возможным получение структур посредством их выращивания из свободно взвешенных в потоке газа наночастиц золота. Предполагается, что технология может стать коммерческой в течение двух—четырех лет.

«Когда я впервые предложил идею освободиться от подложки, окружающие говорили, что я не в своем уме, - сказал Ларс Самуэльсон (Lars Samuelson), проф. физики полупроводников из Университета Лунда (Швеция). – Когда мы проверяли принципы в одной из наших печей при 400°C, результаты превзошли все наши мечты. Основная идея заключалась в том, чтобы наночастицы золота служили в качестве подложки, из которой выращивают полупроводники».

Процесс оказался не только крайне быстрым, но также и непрерывным. В данное время исследователи стараются разработать улучшенные методы захвата нанопроволок и их самосборки упорядоченным способом на специфической поверхности. Ею может быть стекло, сталь или другой подходящий для этих целей материал.

Ученые из Лунда имели некоторое преимущество на старте благодаря проводимым параллельно исследованиям, основанным на инновационном методе производства нанопроволок на полупроводниковых пластинках, известном как эпитаксия. Неудивительно, что они назвали свой новый метод аэротаксия (aerotaxy). Взамен «скульптурного ваяния» структур из кремния или другого полупроводникового материала структуры создаются с помощью управляемых самоорганизующихся атомных слоев.

Производственный процесс аэротаксии

В Центре исследований по фотонике при Гонконгском политехническом университете (PolyU) достигли успеха в области высокоскоростной оптической связи, увеличив скорость передачи данных в 40 раз.

Это достижение привлекло внимание компании Huawei Technologies, одного из лидирующих поставщиков решений в сфере глобальных информационных и коммуникационных технологий, которая поддержала дальнейшие исследования в этом направлении.

Технологии оптической связи постоянно улучшаются со времени изобретения оптоволокна нобелевским лауреатом по физике проф. Чарльзом Као (Charles Kao). Скорость передачи данных по оптоволокну в большой степени определяется дисторсией (искажением) информационного сигнала, вызванной его взаимодействием с молекулами двуокиси кремния, из которого сделано волокно. Чем выше скорость передачи, тем больше вероятность того, что сигнал будет искажен. Когда дисторсия становится достаточно большой, на приемной стороне фиксируются ошибки.

Сегодня большинство общераспространенных оптических систем связи работают с пропускной способностью 10 Гб/с. Проф. Чао Лу (Chao Lu) и д-р Алан Пак-тао Лау (Alan Pak-tao Lau) искусно объединили оптику, статистику и обработку сигналов, что позволило им увеличить скорость передачи в 40 раз. В частности, основываясь на экспериментальных наблюдениях, они обнаружили, что дисторсия светового сигнала не является полностью случайной. Фактически, дисторсия удовлетворяла определенным статистическим характеристикам. Поэтому исследователи предложили использовать «когерентное детектирование», при котором оптический сигнал сначала преобразуется в электрический, так что данные могут быть сохранены. Это стало возможным благодаря использованию более зрелых технологий обработки электронных сигналов.