Исследователи в Соединенных Штатах создали первые образцы искусственного графена, чьи электронные свойства могут контролироваться способами, неприменимыми в случае натурального материала. Образцы могут быть использованы для изучения фермионов Дирака и, возможно, приведут к созданию новой генерации квантовых материалов и устройств с экзотическим поведением.
Известно, что в графене возбуждаются безмассовые квазичастицы, которые двигаются почти со световой скоростью. Эти квазичастицы называются безмассовыми дираковскими фермионами, и их свойства могут быть использованы, к примеру, в транзисторах.
Новый «молекулярный» графен подобен натуральному за тем исключением, что его фундаментальные электронные свойства могут легче регулироваться. Он был изготовлен с помощью низкотемпературного сканирующего туннельного микроскопа, чей зонд, сделанный из атомов иридия, мог использоваться для индивидуального позиционирования молекул окиси углерода на совершенно гладкой проводящей медной подложке.
Молекулярный графен. Точно расположенные молекулы окиси углерода (черные) «выстраивают» электроны (желто-оранжевые) в почти идеальную сотовую структуру
Как объяснил руководитель исследований Хари Монохаран (Hari Manoharan), окись углерода отражает свободно движущиеся электроны на поверхности меди и заставляет их образовывать сотовую структуру, в которой возникают безмассовые квазичастицы.
Исследователи смогли управлять свойствами квазичастиц в молекулярном графене посредством изменения позиций молекул окиси углерода на медной поверхности. Это деформировало структуру решетки, так что она выглядела как бы сдавленной вдоль нескольких осей. Это приводило к тому, что квазичастицы вели себя так, как будто они находились под воздействием сильного магнитного или электрического поля.
Получение изображений индивидуальных атомов и связанных с ними электрических полей в сегнетоэлектриках может указать дорогу к новой эре усовершенствованной электроники.
Ученые учатся манипулировать не до конца понимаемыми наномасштабными материалами, которые могут лечь в основу будущих более компактных и эффективных устройств. Физики из Брукхейвенской национальной лаборатории, Лоуренсовской национальной лаборатории в Беркли и ряда других институтов описали технику, открывающую беспрецедентные детали атомной структуры и поведения экзотических сегнетоэлектрических материалов, которые уникальным образом подходят для хранения данных.
Исследователи из Брукхейвена использовали технику, называемую электронной голографией, для захвата изображения электрических полей, созданных смещением атомов, с пикомасштабной точностью, что является крайне важным для понимания этого явления. Прикладывая разные значения напряжения и регулируя температуру образцов, физики продемонстрировали метод для идентификации и описания поведения сегнетоэлектриков на микромасштабном уровне.
«Эта детализация является удивительной – впервые мы смогли действительно увидеть положения атомов и их связь с локальным сегнетоэлектричеством в наночастицах, - сказал Имей Чжу (Yimei Zhu), физик из Брукхейвена. – Это является не только техническим достижением, но и открывает новые инженерные возможности».
Напомним, что сегнетоэлектрики обладают постоянным дипольным электрическим моментом, направление которого можно изменять с помощью внешнего электрического поля. Это возможно благодаря внутренней субатомной асимметрии, изображение которой и было впервые получено в деталях с помощью трансмиссионного электронного микроскопа.
Наличие стабильного, но опрокидываемого электрического момента позволяет использовать его для записи данных.
«Сегнетоэлектрики могут сохранять данные на меньшей шкале и с более высокой плотностью, чем ферромагнетики, - сказал Чжу. – Мы наблюдаем движение на нанометровой шкале, и это действительно впечатляет, потому что мы знаем, что на наношкале каждая частица может хранить бит информации. До этого мы очень мало знали о манипулировании поведением сегнетоэлектриков из наноматериалов».
Трудность в уменьшении масштабов индивидуальных сегнетоэлектрических наночастиц заключается в том, чтобы понять, как тесно они могут быть упакованы и упорядочены без нарушения их индивидуальной поляризации. Проведенные в Брукхейвенской лаборатории эксперименты продемонстрировали метод для определения этих параметров в широком диапазоне режимов.
«Электронная голография является интерференционной техникой, использующей когерентные электронные волны, - сказал Мюн-Геунь Хань (Myung-Geun Han), физик из Брукхейвена. – Когда электронные волны проходят через сегнетоэлектрический образец, они воздействуют на локальные электрические поля, приводя к фазовому сдвигу. Интерференционная картина между этими электронами и теми, которые не создают электронную голограмму, позволяет нам прямо «видеть» локальные электрические поля вокруг индивидуальных сегнетоэлектрических наночастиц. Правильно используемые сегнетоэлектрики могут увеличить плотность памяти и хранить множество терабайт данных на одном квадратном дюйме микросхемы».
Поле Хиггса и его квант – бозон Хиггса – крайне необходимы для устранения некоторых противоречий в Стандартной модели, которая на сегодняшний день наилучшим образом описывает строение материи.
На семинаре, который состоялся 4 июля в ЦЕРН, были представлены предварительные результаты экспериментов на установках ATLAS и CMS по обнаружению долго разыскиваемых частиц Хиггса. В обоих экспериментах наблюдалась новая частица массой около 125—126 ГэВ.
«Мы наблюдали в наших данных ясное указание на новую частицу на уровне 5 сигма с массой около 126 ГэВ. Это случилось благодаря выдающимся возможностям БАК и самоотверженному труду многих ученых, - сказал представитель группы ATLAS Фабиола Джианотти (Fabiola Gianotti). – Но требуется еще некоторое время, чтобы подготовить эти результаты для публикации».
«Результаты являются предварительными, но 5 сигма в области 125 ГэВ – это потрясающе. Это в самом деле новая частица. Мы знаем, что это должен быть бозон, и это самый тяжелый бозон из когда-либо обнаруженных, - сказал представитель группы CMS Джой Инкандела (Joe Incandela). – Следствия этого открытия крайне значительны, и мы должны быть очень старательны в дальнейшем изучении и проверках».
Результаты, представленные на семинаре, обозначены как предварительные. Они базируются на данных, собранных в 2011 и 2012 гг., при этом данные за последний год все еще в процессе анализа. Более полная картина будет получена позже в этом году, после проведения экспериментов для получения большего количества данных.
Следующий шаг будет заключаться в определении точной природы частицы и ее значения для нашего понимания вселенной. Является ли она долгожданным бозоном Хиггса, последним недостающим элементом Стандартной модели, или это что-то более экзотическое?
«Мы достигли вехи в нашем понимании природы, - сказал генеральный директор ЦЕРН Рольф Хойер (Rolf Heuer). – Обнаружение частицы со свойствами бозона Хиггса открывает дверь для более детального изучения, требующего больших статистических данных».
В современных процессорах большая часть электроэнергии тратится понапрасну. Команда исследователей из Университета Западного резервного района (штат Огайо) вышла с новой идеей, называемой тонкоструктурированное управление энергопотреблением, которая может позволить сохранить до трети операционных расходов.
Проф. Сваруп Бхунья (Swarup Bhunia) пояснил, что в процессоре энергию потребляют две части: блоки обработки данных и память. В то же время вычисления редко используют все возможности процессора все время, однако процессор работает на полную мощность. Например, процессор не всегда выполняет сложение, но эти блоки все равно потребляют энергию.
Одна из попыток понизить диссипацию энергии в процессорах заключалась в так называемом грубом управлении энергопотреблением. В этом случае выключался целый блок процессора, который в данное время не использовался. В предыдущем примере это был бы блок сложения.
Проблема здесь заключалась в том, что бóльшую часть времени некоторые части каждого блока используются процессором. Поэтому найти целый блок, который в данное время не используется, довольно трудно.
Идея исследователей заключается в том, чтобы выключать только части компонентов, которые не используются в данное время. К примеру, блок сложения способен выполнять операцию над очень большими числами, однако в действительности такие числа встречаются редко. Процессор может постоянно использовать блок сложения, но часть, которая отвечает за операции с большими числами, может быть выключена большую часть времени. Та же ситуация и с памятью – процессор может хранить большие числа, но необходимость в этом случается редко.
Этот выигрыш может показаться слишком малым, однако если сложить все вместе, то эффект будет существенным. Команда подсчитала, что суммарная экономия энергии для типичных процессоров в десктопах может достигать 40%.
Однако проф. Бхунья объяснил, что тонкоструктурированное управление питанием не может быть применено к современным процессорам, но может быть использовано компаниями при разработке устройств следующего поколения. Этот новый метод будет полезен не только для корпораций с огромным количеством компьютеров, но и существенно продлит время работы аккумуляторов в смартфонах.
В Канзасском государственном университете открыли новую атомную связь, что поможет физикам лучше понимать материю и ее состав.
Еще не названное состояние позволяет объединить слабой связью три атома в трехчастичное состояние. В этом состоянии три атома могут соединиться вместе в группу, а два – не могут.
«Это действительно противоречит здравому смыслу, поскольку даже парные взаимодействия не только слишком слабы, чтобы связать атомы, но они активно пытаются оттолкнуть атомы друг от друга», - сказал Бретт Эсри (Brett Esry), профессор физики из Канзасского госуниверситета.
Обнаруженное состояние подобно ефимовскому состоянию трех тел, слабо связанному квантовому состоянию, впервые предсказанному советским физиком Виталием Ефимовым в начале 1970-х. Физики впервые смогли наблюдать ефимовское состояние более чем через 30 лет в эксперименте со сверххолодными атомными газами в 2006 г. Проф. Эсри сказал, что сверхнизкие температуры необходимы и для наблюдения нового квантового состояния. В то время как ефимовское состояние наблюдается только для атомов с целым спином (бозонов), то новое состояние возможно как для бозонов, так и для фермионов.
Вдобавок, радиус взаимодействия в новом квантовом состоянии лежит между короткодействующими и дальнодействующими силами. Ефимовское же состояние существует только для короткодействующих взаимодействий.
«Открытие нового квантового состояния заполнит брешь в наших знаниях о системе трех тел, изучением которой занимался еще Исаак Ньютон, и квантовой механикой», - отметил проф. Эсри.
Художественное изображение связи трех атомов в новом квантовом состоянии
Многие технологии связи сегодня используют свет в качестве носителя данных. Вплоть до недавнего времени изучение электронных и оптических устройств на базе материалов, которые составляют основу современной электроники, в основном опиралось на нелинейные оптические эффекты, что давало в результате полосу пропускания, ограниченную гигагерцевым диапазоном.
Теперь благодаря исследованиям, выполненным в Питсбургском университете, был продемонстрирован физический базис для получения терагерцевого диапазона (частоты между инфракрасным и микроволновым излучением).
Ученым удалось получить гребенчатый спектр, возбудив когерентные колебания атомов в полупроводниковом кремниевом кристалле и разложив частоту на серию спектральных линий, которая покрывает диапазон более 100 ТГц.
«Способность модулировать свет на таких частотах может увеличить скорость передачи данных более чем в 1000 раз по сравнению с имеющимися технологиями, - сказал проф. Хрвойе Петек (Hrvoje Petek) из Питсбурга. – Излишне говорить, что это давно ожидаемое открытие в данной области».
Чтобы исследовать оптические свойства кремниевого кристалла, проф. Петек и его команда изучала изменения отражательной способности после возбуждения интенсивным лазерным импульсом. Команда обнаружила, что после возбуждения отраженный свет осциллирует на частоте 15,6 ТГц, максимально возможной частоте механических колебаний атомов в решетке кремния. Эти колебания вызывали дополнительные изменения в поглощении и отражении света, умножив основную частоту примерно в семь раз. Петек и его команда впервые смогли увидеть такой гребенчатый спектр у кристаллического твердого тела.
«Хотя мы ожидали увидеть колебания с частотой 15,6 ТГц, мы не осознавали, что возбуждение могло изменить свойства кремния столь радикально, - сказал проф. Петек. – Открытие явилось результатом как использования уникальных приборов, так и глубокого анализа явления сотрудниками».
Гарри Каспаров завершил шахматную партию, начатую более 60 лет назад Аланом Тьюрингом.
Впервые публично Каспаров сыграл матч с шахматной программой Тьюринга на сцене Манчестерского университета в рамках конференции, посвященной 100-летию со дня рождения ученого.
Хотя он победил за 16 ходов, Каспаров похвалил прототип программы, называемой Turochamp, созданную Тьюрингом без использования компьютера. Каспаров сыграл черными в ходе своей лекции на конференции против программы, написанной Тьюрингом от руки более 60 лет назад.
Тьюринг разработал свою программу на псевдоинтеллектуальном уровне, используя эмпирические правила для выбора ходов. Он пытался реализовать свою программу в 1950 г. как только был сконструирован компьютер Manchester Ferranti Mark 1, но так и не закончил работу.
Turochamp разработан с предсказанием на два хода вперед, анализируя сотни потенциально возможных ходов, тогда как Каспаров продумывает не менее чем на 10 ходов вперед. Этим и объясняется его простая победа.
Тем не менее, российский гроссмейстер был в восторге от исследования Тьюринга. Он сказал: «Я предполагаю, что вы можете назвать программу примитивной, но я бы сравнил ее с первыми автомобилями – вы можете улыбаться, глядя на них, но это все же выдающееся достижение. Тьюринг написал алгоритм без компьютера – многие молодые ученые не могут даже вообразить, что такое возможно. Это было выдающееся достижение. Хотя программа предвидит всего два хода, я думаю, что перед любителями она может поставить ряд серьезных проблем. Алан Тьюринг был одним из немногих людей, о которых мы можем сказать, что если бы он жил дольше, мир мог бы быть другим».
23 июня Каспаров открыл мемориальную доску на здании университета, где работал Тьюринг.
Осознание в 1990-х того, что световые пучки со спиральным фазовым фронтом имеют орбитальный угловой момент (ОУМ), открыло им область приложений от оптических манипуляций до квантовых информационных процессов. Недавно внимание было направлено на возможности использования таких пучков для связи.
Американские и израильские исследователи использовали «закрученные» пучки для передачи данных, достигнув скорости 2,56 Тб/с. Насколько известно, это самая быстрая беспроводная сеть, когда-либо существовавшая. Возможно, эта технология будет использоваться в последующие несколько лет с тем, чтобы значительно увеличить пропускную способность как беспроводных, так и оптоволоконных сетей.
Закрученные пучки используют ОУМ, чтобы втиснуть намного больше данных в один поток. В рассматриваемом случае исследователи из Университета Южной Калифорнии, Лаборатории реактивного движения NASA и Тель-Авивского университета закрутили в спираль, подобную ДНК, каждый из восьми потоков видимого света с пропускной способностью около 300 Гб/с. При этом каждый из восьми пучков имел отличный от других ОУМ. Пучки объединялись в две группы по четыре в каждой, которые пропускались через различные поляризационные фильтры. Одна группа из четырех пучков передавалась как тонкий поток, подобный закрученной нити, в то время как другие четыре пучка распространялись вокруг, подобно оболочке. Пучок затем передавался через открытое пространство (в данном случае на расстояние 1 м) и «развивался» и обрабатывался на приемном конце.
Это выдающееся достижение было получено всего через несколько месяцев после того, как Bo Thide наконец доказал, что ОУМ действительно существует. Согласно Bo Thide, ОУМ может позволить закрутить вместе «неограниченное число» традиционных протоколов передачи без расширения спектра. Теоретически, можно взять 10 (или 100, 1000, …,) сигналов Wi-Fi или LTE, и закрутить их в единый луч, в соответствующее число раз увеличивая пропускную способность.
Следующей задачей группы будет увеличение расстояния передачи до практически интересного. «Для ситуаций, требующих каналов высокой емкости на относительно коротком расстоянии, скажем, менее 1 км, этот подход может быть привлекательным. Конечно, не отбрасывается также возможность дальней межспутниковой связи в космическом пространстве, где отсутствует турбулентность», - сказал Алан Уилнер (Alan Willner), профессор электротехники из Университета Южной Каролины.
Концепция и принципы.
а) генерация несущего данные ОУМ-пучка со спиральным фазовым фронтом
b) восстановление несущего данные пучка с плоским фазовым фронтом
с) мультиплексирование/демультиплексирование несущего данные пучка вместе с поляризацией
23 июня 2012 г. исполнилось 100 лет со дня рождения Алана Тьюринга – выдающегося английского математика, логика и криптографа, сформулировавшего теории, ставшие впоследствии основой вычислительной техники.
Его отец был государственным служащим в Индии, а мать – дочерью главного инженера мадрасской железной дороги.
В школе его успехи оценивались как выше среднего, хотя он высказывал много нестандартных идей при решении задач. Он глубоко изучил математику, практически самостоятельно, читал работы Эйнштейна по теории относительности и статьи Эддингтона по квантовой механике.
Несмотря на трудные школьные годы, Тьюринг в 1931 г. поступил в Кембриджский Королевский колледж с целью изучать математику. Кембридж оказался более благоприятным местом для оригинальных идей, чем школа.
В 1933 г. Алан начал проявлять интерес к математической логике. Окончив колледж в 1934 г, Тьюринг начал посещать углубленный курс оснований математики Макса Ньюмана. Там рассматривались такие вопросы, как теорема о неполноте Геделя и проблема разрешимости. Тьюринг начал работать над этими идеями.
В 1935 г. Алан Тьюринг в своей диссертации независимо доказал центральную предельную теорему и был избран членом Совета Королевского колледжа. В 1936 г. он удостоился премии Смита.
В 1936 г. Тьюринг публикует работу «О рекурсивных числах», в которой вводит абстрактную машину, впоследствии названную «Машиной Тьюринга», способной переходить из состояния в состояние, используя точный ограниченный набор правил (заданный конечной таблицей) и единственный символ, который считывается с ленты.
Хотя его статья содержала идеи фундаментально важные для математики и информатики, ее публикация в Proceedings of the London Mathematical Society встретила некоторые трудности. Дело в том, что Алонсо Черч в том же году опубликовал в American Journal of Mathematics статью «О неразрешимой проблеме в элементарной теории чисел», в которой также доказывал, что в арифметике не имеется процедуры разрешения. Подход Тьюринга существенно отличался от подхода Черча, но Ньюман убедил Лондонское математическое общество в необходимости публикации работы Тьюринга. Окончательная несколько пересмотренная статья Тьюринга содержала ссылку на результаты Черча и была опубликована в 1937 г.
Результатом дискуссии с Черчем было зачисление Тьюринга аспирантом в Принстонский университет в 1936 г., где он работал под его руководством.
В 1938 г. Алана Тьюринга пригласили в Government Code and Cypher School для работы над взломом кода немецкой «Энигмы». Блестящие идеи Тьюринга и разработка компьютера для помощи в дешифровке помогла сохранить жизнь многим солдатам.
В конце войны Тьюринг был приглашен в Национальную физическую лабораторию в Лондоне для разработки компьютера. Его предложения по Automatic Computing Engine (ACE) были представлены в марте 1946 г.
Тьюринг возвратился в Кембридж на академический 1947-48 год, где его интересы переместились далеко от компьютеров и математики. В частности, он изучал неврологию и физиологию. Тем не менее, он не забыл компьютеры совсем и писал для них программы.
В 1948 г. Ньюман был профессором в Манчестерском университете и предложил Тьюрингу прочитать курс лекций, на что последний согласился.
В 1950 г. Тьюринг публикует в философском журнале Mind работу «Вычислительные машины и разум». В ней он изучил проблему, которая сегодня лежит в основе искусственного интеллекта. Автор предложил тест, в котором подопытный должен был определить, с кем он разговаривает, с компьютером или человеком? Впоследствии он стал называться «тестом Тьюринга».
В 1951 г. Алан Тьюринг был избран членом Лондонского королевского общества, в основном, за его работы по машине Тьюринга. В 1951 г. он работает над приложением математики к биологическим формам и в 1952 г. публикует первую часть своего теоретического исследования морфогенеза. Тьюринг сделал также вклад в теорию элементарных частиц, предложив спиноры, и в теорию относительности.
Алан Тьюринг умер 7 июня 1954 г. от отравления цианидом калия при проведении опытов по электролизу. Цианид был обнаружен в недоеденном яблоке, лежавшем рядом с ним. Следствие пришло к выводу, что он покончил с собой, но его мать всегда утверждала, что это был несчастный случай.
Международная команда, состоящая из 16 исследователей и возглавляемая Джеймсом Кеннетом (James Kennett), профессором из Калифорнийского университета (UC) в Санта-Барбаре, идентифицировала тонкий слой осадка возрастом почти 13 тыс. лет на дне озера Cuitzeo в Центральной Мексике. Осадочный слой содержит экзотический ансамбль материалов, включая наноалмазы, небольшие шарики (сферулы) как результат столкновений, и другие компоненты, которые, по мнению исследователей, являются результатом столкновения Земли с космическим телом.
Эти новые данные поддерживают спорную гипотезу о том, что в результате космического столкновения, случившегося 12900 лет тому назад, наступил необычно холодный климатический период, называемый поздним дриасом.
Проведя ряд исчерпывающих тестов в широком диапазоне, исследователи идентифицировали семейство наноалмазов, включающее ударные формы наноалмазов, называемых лонсдалеиты, которые могут быть следствием только космического столкновения. Исследователи также обнаружили сферулы, которые столкнулись на высокой скорости с другими сферулами. Такие особенности, по мнению Кеннета, не могли сформироваться ни под влиянием антропогенных, вулканических или других естественных земных процессов. «Эти материалы образуются только в результате космического столкновения», - сказал он.
Данные предполагают, что комета или астероид диаметром более нескольких сотен метров вошла в атмосферу под относительно малым углом. Тепло от столкновения подожгло биомассы, расплавило поверхностные скалы и вызвало сильные разрушения.
Осадочный слой, идентифицированный исследователями, имеет тот же возраст, что и в других локализациях, открытых в Северной Америке, Гренландии и Западной Европе.
В геологии известны только два слоя континентальных масштабов с избытком наноалмазов, ударных сферул и гроздевидных нагарообразований. Это пограничный слой между меловым периодом и палеогеном возрастом 65 млн. лет, который совпадает с вымиранием динозавров и аммонитов, и поздний дриас, близко связываемый с вымиранием многих больших североамериканских животных, включая мамонтов, мастодонтов, саблезубых тигров и огромных волков.
Скульптура Алана Тьюринга в музее Bletchley Park
