Наименьший из когда-либо созданных на кремнии проводников – высотой всего один атом и шириной четыре атома – был продемонстрирован командой исследователей из Университета Нового Южного Уэльса, Мельбурнского университета и Университета Пердью.

Эксперименты показали, что у проводника довольно низкое сопротивление, несмотря на то что он более чем в 20 раз тоньше традиционных медных проводников в микропроцессорах.

Бент Уэбер (Bent Weber), аспирант из Университета Нового Южного Уэльса отметил, что он поражен тем, что закон Ома все еще справедлив для проводника, сконструированного из атомов. Инновация австралийской группы заключалась в том, что они построили цепь последовательно атом за атомом взамен традиционного метода получения проводников на кремнии. Группа построила устройство, размещая атомарно тонкие слои фосфора на кремнии, и обнаружила, что при плотной упаковке примеси фосфора проводники шириной всего четыре атома проводят ток так же хорошо, как металл.

Целью исследователей было разработка будущих квантовых компьютеров, в которых для вычислений используются единичные атомы. «Мы стоим на пороге создания транзисторов из индивидуальных атомов, - сказала Мишель Симмон (Michelle Simmons), директор Центра квантовых вычислений. – Но мы понимаем, чтобы построить практический квантовый компьютер межсоединения и цепи также должны быть уменьшены до атомной шкалы».

Изображение, полученное с помощью компьютерной симуляции, показывает электронную плотность по мере того как электроны перемещаются слева направо

Химики решили проблему, которой насчитывалось 84 года. Те же принципы, которые позволяют фигуристу вращаться быстрее, прижимая руки к туловищу, были использованы исследователями Мичиганского государственного университета (MSU) для понимания, как молекулы передают энергию в своей среде после поглощения света.

Сохранение момента количества движения является фундаментальным свойством природы. В 1927 г. было высказано предположение, что этот принцип может быть применим к химическим реакциям, но ясной демонстрации этого не удавалось получить.

Джим Маккаскер (Jim McCusker), химик из MSU, впервые продемонстрировал, что такой эффект действительно имеет место, и предложил, как ученые могут использовать его для управления и предсказывания пути развития химических реакций в общем.

«Идея плавала на поверхности в течение десятилетий и неявно подразумевалась в разных контекстах, но не было предложено химической системы, которая могла бы ее подтвердить или опровергнуть, - сказал д-р Маккаскер. – Наш результат не только подтверждает правильность идеи, но позволяет нам начать рассматривать химические реакции в полностью другой перспективе».

Эксперимент включал приготовление двух близко связанных молекул, которые были специально сконструированы для химической реакции, известной как флуоресцентный резонансный перенос энергии. При поглощении света система предрасполагается, чтобы передавать энергию от одной части молекулы к другой.

Команда Маккаскера заменила один из атомов хрома молекулы на атом кобальта. Это изменило свойства молекулы и остановило реакцию. Отсутствие любого определяемого переноса энергии в молекуле, содержащей атом кобальта, подтвердило гипотезу.

«То, что мы успешно проделали, является контрольно-проверочным экспериментом, - сказал д-р Маккаскер. – Можно легко вообразить, как использовать эти идеи для других химических процессов».

Исследователи полагают, что достигнутые результаты могут оказать влияние на различные области, включая молекулярную электронику, биологию и энергетику посредством разработки новых типов химических реакций.

             Д-р Маккаскер и научный сотрудник Дон Го (Dong Guo)

Помещая реальные и виртуальные объекты на пути полета летучих мышей, ученые из университетов Бристоля и Мюнхена выявили новые детали работы их эхолокаторов. Они обнаружили, что размеры больших объектов мыши определяют не по интенсивности отраженного сигнала, а по «звуковой апертуре», углам, под которыми эхо приходит в их уши.

Как известно, летучие мыши излучают ультразвук для ориентации в пространстве. Информация о находящихся впереди объектах поступает в виде отраженного сигнала. Например, эхо от больших объектов сильнее, чем от малых. Однако анализ отраженных собственных сигналов в какофонии эхо от сородичей представляется довольно трудной задачей для слуховой системы мыши.

Исследователи из Бристоля и Мюнхена захотели узнать, способны ли мыши использовать эхолокацию, находясь в «толпе» других мышей. Команда засняла на пленку пути полета сотен летучих мышей 13 разных разновидностей, когда они влетали из пещеры, и затем поместили небольшие объекты на их пути.

«Видео ясно показало искривления путей полета после размещения объектов. Это значит, что мыши были способны использовать эхолокацию в этих трудных условиях, чтобы определить объект размером 5х8 см и найти безопасный путь», - сказал д-р Холгер Герлитц (Holger Goerlitz) из Бристольской школы биологии.

Но как мыши определяют размеры объектов по эхосигналам? Чтобы определить, используют ли они интенсивность в качестве информации о размерах, команда применила в качестве источника эха виртуальные объекты, симулируя их размер с помощью источника ультразвука. Этот метод записывает излучение пролетающих мышей и в реальном времени симулирует эхо объектов, которые реально отсутствуют. Используя этот метод впервые для диких мышей, исследователи могли манипулировать одним параметром – интенсивностью – и изучать эффект восприятия размера объектов.

Хотя размер виртуальных объектов, то есть интенсивность эха, был в десять раз больше, чем небольших реальных объектов, используемых ранее, мыши не изменяли пути полета.

По мнению д-ра Герлитца, результаты показали, что у виртуальных объектов отсутствует критический параметр, дающий информацию о их размерах. Ученые полагают, что летучие мыши используют другой эхопараметр, кроме интенсивности: звуковую апертуру, которая дает углы распределения отраженного звука. Это было подтверждено в следующем лабораторном опыте с использованием массива громкоговорителей.

Воспринимая интенсивность и звуковую апертуру эха от объектов, слуховая система летучих мышей может оценивать их особенности и вырабатывать решение.

Наложение 20 видео, показывающих пути полета мышей мимо громкоговорителя, использованного в качестве виртуального объекта

Ответ на один из наиболее волнующих вопросов в физике элементарных частиц, кажется, достаточно близок: ученые из ЦЕРН наблюдали первый признак бозона Хиггса и теперь верят, что они вскоре будут способны доказать существование этой частицы. Это последний отсутствующий элемент в Стандартной модели, объясняющей структуру материи.

«Мы в самом деле могли наблюдать первое экспериментальное доказательство существования бозона Хиггса, но еще слишком рано  делать определенные заявления», - сказал проф. Фолкер Бюшер (Volker Büscher) из Института физики при университете Йоханнеса Гутенберга в Майнце, Германия. «И если эксперимент окажется корректным, анализ данных впервые предоставит информацию о массе бозона Хиггса», - добавил проф. Стефан Таппрогге (Stefan Tapprogge).

Бозон был предсказан 50 лет назад и назван в честь британского физика Питера Хиггса. С тех пор ученые во всем мире его ищут. Его открытие объяснит происхождение масс всех элементарных частиц.

«На данный момент мы можем сделать два утверждения, - сказал проф. Бюшер. – Первое, если бозон Хиггса действительно имеет предполагаемые характеристики, то его масса должна быть между 115 и 131 ГэВ – это окно намного меньше, чем год назад. Второе, мы обнаружили очень интригующие дополнительные события, которые могли бы послужить первым прямым экспериментальным доказательством бозона Хиггса с массой 125 ГэВ».

Бозон Хиггса был предсказан в 1954 г. Согласно Стандартной модели, он наделяет массой другие элементарные частицы. Из Стандартной модели следует, что Вселенная наполнена полем Хиггса. В зависимости от силы взаимодействия элементарных частиц с бозоном Хиггса, они будут иметь ту или иную массу. Если недостающую частицу действительно откроют, это не только подтвердит теорию, но также будет начальной точкой для развития новой области исследования.

Иллюстрация протон-протонного столкновения, которое может породить частицу Хиггса, записанное на детекторе ATLAS. Вскоре после своего рождения бозон Хиггса распадается на четыре частицы, которые были обнаружены детектором

Фундаментальная проблема, стоящая перед наукой 70 лет, наконец, решена. Международная команда исследователей открыла тонкий электронный эффект в магнетите, самом магнитном материале из всех встречающихся в природе минералов. Эффект вызывает резкое изменение проводимости при очень низких температурах.

Свойства магнетита (магнитного железняка) известны уже более чем 2000 лет и послужили основой концепций магнитов и магнетизма. В течение десятилетий материал служил базисом для исследований в области магнитной записи и хранения данных.

В 1939 г. голландский ученый Эверт Вервей (Evert Verwey) открыл, что электрическая проводимость магнетита резко снижается при низких температурах – примерно при 125 К (-150 °С) металлический минерал превращается в изолятор. Несмотря на многие попытки, вплоть до недавнего времени суть этого перехода оставалась нераскрытой.

Команда ученых облучила мощным рентгеновским излучением небольшой кристалл магнетита при очень низкой температуре. Эксперимент был проведен Европейской лаборатории синхротронного излучения (ESRF) в Гренобле. Результаты позволили понять тонкую перестройку химической структуры минерала. Электроны захватывались внутрь группы из трех атомов железа, и были неспособны переносить электрический ток. «Мы решили фундаментальную проблему в понимании исходного магнитного материала, на котором основывались все наши знания о магнетизме, – сказал проф. Поль Аттфилд (Paul Attfield) из Центра по изучению экстремальных состояний. – Эти сведения о структуре магнетита и его поведении помогут в разработке электронных и магнитных технологий будущего».

Новый тип квантового бита, называемого «кубит со скользящей фазой» (phase-slip qubit), изобретен исследователями из RIKEN Advanced Science Institute (ASI). Он позволил впервые в мире экспериментально продемонстрировать когерентное квантовое скольжение фазы (CQPS).

Эффект квантового скольжения фазы заключается в изменении фазы сверхпроводящего тока на 2π на джозефсоновском переходе, вызванном (изменении), в свою очередь, квантовой флуктуацией фаз. Этот неординарный результат проливает свет на неуловимый феномен, чье существование предполагалось длительное время, но никогда в действительности не наблюдалось.

Исследователи давно знали об интригующей теоретической параллели эффекту Джозефсона, в которой изолятор и сверхпроводник меняются местами: если электрические заряды проходят от одного сверхпроводящего слоя к другому через изолятор, то магнитный поток совершает квантовый переход от одного изолятора к другому через сверхпроводящий слой (рис. 1).

                                                 Рис. 1

Квантовое туннелирование электронов в переходе Джозефсона заменяется в этой параллели когерентным скольжением фазы, квантовой переменной, играющей в сверхпроводящих цепях дуальную роль электрическому заряду.

Когерентное квантовое скольжение фазы как явление долгое время ограничивалось только теорией. В статье, опубликованной в Nature, Олег Астафьев с коллегами из ASI и NEC Smart Energy Research Laboratories сообщили о первом прямом наблюдении CQPS в тонкой сверхпроводящей проволоке из окисла индия. Проволока вставлялась в бóльшую сверхпроводящую петлю, чтобы образовать новое устройство, называемое кубит со скользящей фазой, с сверхпроводящим слоем (тонкой проволокой), помещенным между изолирующими слоями пустого пространств (рис. 2).

    
                                             Рис. 2

Регулируя проникновение магнитного потока через эту петлю при одновременном сканировании излучением микроволновой частоты, исследователи обнаружили запрещенную зону в кривой энергии для двух состояний потока системы (рис. 3) в точном соответствии с предсказанием теории. Эта зона является результатом квантовомеханического эффекта, в соответствии с которым два состояния не могут занимать один энергетический уровень, принуждая их туннелировать через сверхпроводящий слой – и посредством квантового скольжения фазы в тонкой проволоке – избежать этого.

                                               Рис. 3

Многоцелевой оптический чип, который генерирует, манипулирует и измеряет квантовое зацепление и смесь состояний – два квантовых явления, лежащих в основе будущих квантовых компьютеров, разработан исследователями из Центра квантовой оптики Бристольского университета. Эта работа представляет важный шаг в развитии квантовых компьютеров.

Ученые из Бристоля впервые показали, что зацепление можно генерировать, управлять им и измерять полностью в кварцевом чипе. Они также использовали тот же чип, чтобы измерить смесь состояний, часто нежелательный эффект, вызываемый внешней средой, но явление, которым теперь можно управлять и использовать, чтобы характеризовать квантовые цепи.

«Для того чтобы построить квантовый компьютер, мы не только нуждаемся в возможности управлять сложными явлениями, такими как зацепление и смешивание, но нуждаемся также в том, чтобы воспроизводить их на чипе, - сказал проф. Джереми О’Брайен (Jeremy O'Brien), директор Центра квантовой фотоники. – Наше устройство позволяет это, и мы верим, что это существенный шаг навстречу квантовым вычислениям».

Чип, на котором выполнялись эксперименты, каждый из которых обычно требует использования оптической скамьи величиной в обеденный стол, имел размеры 70 мм Х 30 мм. Он содержал сеть небольших каналов, которые направляли и манипулировали единичными фотонами. Используя восемь реконфигурируемых электродов, встроенных в схему, фотонные пары могли зацепляться, продуцируя любое возможное состояние зацепления или любое смешанное состояние.

«Не очень хорошо, если ваш квантовый компьютер может выполнять одну специфическую задачу, - объяснил д-р Питер Шадболт (Peter Shadbolt), первый автор публикации. – Мы предпочли бы иметь реконфигурируемое устройство, которое может выполнять различные задачи. Такое устройство мы теперь продемонстрировали. Оно приблизительно в 10 раз более сложное, чем в предыдущем эксперименте. Это замечательно, потому что мы можем проводить много разных экспериментов, используя один реконфигурируемый чип».

Исследователи, которые разрабатывали квантовый оптический чип в течение последних шести лет, работают теперь над увеличение сложности этого устройства, и рассматривают его как строительный блок для квантовых компьютеров будущего.

Художественное изображение квантового фотонного чипа, на котором показан волновод (белый) и управляемый напряжением фазовращатель (металлические контакты на поверхности). Фотонные пары становятся зацепленными, когда они проходят через цепь

Команда ученых, возглавляемая Гийомом Жерве (Guillaume Gervais) из Департамента физики Университета Макгилла и Майком Лилли (Mike Lilly) из Национальной лаборатории Сандии, сконструировали самую маленькую электронную схему. Она образуется двумя проводниками, отделенными друг от друга примерно 150 атомами, или 15 нм.

Открытие может оказать значительный эффект на быстродействие и мощность микросхем будущего, используемых от смартфонов до настольных компьютеров, телевизоров и GPS-устройств.

Изучение, как плотноупакованные проводники в электронной микросхеме взаимодействуют друг с другом, было выполнено впервые. Неожиданно авторы обнаружили, что воздействие одного проводника на другой может быть либо позитивным, либо негативным. Это значит, что ток в одном проводнике может индуцировать ток в другом в том же направлении либо в противоположном. Это открытие, в основе которого лежат законы квантовой физики, подразумевает необходимость пересмотреть понимание, как даже простейшие электронные схемы ведут себя в наномасштабной шкале.

Кроме увеличения быстродействия и эффективности будущих электронных схем, это открытие может помочь решить одну из основных проблем дизайна будущих компьютеров – все возрастающим тепловыделением интегральных микросхем.

Известный теоретик Маркус Бютикер (Markus Büttiker) предполагает, что может оказаться реальным отбирать тепловые потери одного проводника с помощью окружающих проводников. Более того, д-р Бютикер верит, что это открытие окажет влияние как на фундаментальные, так и на прикладные исследования в наноэлектронике.

Молибденит – новый и многообещающий материал – может преодолеть физические ограничения кремния. Ученые из EPFL доказали это, сделав первый молибденитовый микрочип с меньшими и более энергоэффективными транзисторами.

В Лаборатории наномасштабной электроники и структур (LANES) изготовили интегральную микросхему, подтверждающую, что молибденит может преодолеть физические ограничения кремния в миниатюризации, энергопотреблению и механической гибкости.

«Мы построили прототип, включающий от двух до шести последовательных транзисторов, и показали возможность основных логических операций, доказав тем самым, что мы можем создать больший чип», - сказал директор Лаборатории Андрас Кис (Andras Kis).

В начале 2011 г. лаборатория приоткрыла завесу над потенциалом дисульфида молибдена (MoS₂), относительно распространенного в природе материала. Его структура и свойства полупроводника делают его идеальным материалом для использования в транзисторах.

«Основное преимущество MoS₂ в том, что он позволяет уменьшить размеры транзисторов и продлить процесс миниатюризации», - отметил д-р Кис. Сегодня невозможно изготовить слой кремния меньше 2 нм толщиной, так как существует риск возникновения химической реакции, которая будет окислять поверхность и нарушать его электрическое свойства. Работоспособный слой молибденита может быть толщиной всего три атома, что дает возможность построить чип в три раза меньший. Кроме этого, транзисторы из MoS₂ также более эффективны – они могут переключаться быстрее, чем кремниевые. Возможности молибденита усиливать электрический сигнал сравнимы с кремнием – выходной сигнал может в четыре раза превышать входной.

Исследователи из Питсбургского университета изобрели новый тип электронного переключателя, который выполняет логические функции внутри одной молекулы.

«Новый переключатель превосходит существующие одномолекулярные концепции, - заявил проф. Hrvoje Petek. – Мы исследуем, как уменьшить количество электронных элементов до единичных молекул для нового поколения технологий».

Переключатель был открыт путем экспериментирования с вращением триангулярного кластера из трех атомов металла, удерживаемых вместе атомом азота. Кластер полностью заключался в каркас, сделанный из атомов углерода. Исследователи обнаружили, что кластер инкапсулированный в полый углеродный каркас, мог вращаться между несколькими структурами под воздействием электронов. Это вращение изменяло способность молекулы проводить электрический ток, тем самым переключаясь между несколькими логическими состояниями без изменения сферической формы углеродного каркаса. Проф. Петек сказал, что подобный подход защищает молекулу от воздействия внешних химикатов. Благодаря сферической форме прототип молекулярного переключателя может интегрироваться как атомоподобный строительный блок размером 1 нм в вычислительную систему с массовым параллелизмом.

Прототип был продемонстрирован на базе молекулярного сэндвича Sc₃N@C₈₀ между двумя электродами, состоящими из плоской подложки окисла меди атомарного слоя и вольфрамового зонда с острием атомного масштаба. Посредством приложения импульса напряжения равносторонняя молекула треугольной формы Sc₃N могла вращаться предсказываемым образом между шестью логическими состояниями.