Обещания графена преобразовать электронику, вычислительную технику и мир в целом подтолкнули ученых к охоте на другие двухмерные материалы. Одним примером служит силицин, другим – окись графена, но они не единственные. Исследователи из Дрездена открыли еще один.

Это соединение стронция, марганца и висмута – SrMnBi₂. Хотя ученые еще не придумали для него имени, материал аналогичен графену по ключевым свойствам. Согласно статье, опубликованной в Physical Review Letters, у него, как и у графена, есть анизотропные дираковские фермионы. В графене эти безмассовые электроны и определяют его электрические свойства.

Согласно анонсу Гельмгольцовской ассоциации германских исследовательских центров, новый материал легко легировать, и он имеет многообещающее будущее как основа новых магнитов, сверхпроводников и топологических изоляторов.

Открытие явилось результатом сотрудничества южнокорейского исследователя д-ра Юнь Сун Кима (Jun Sung Kim) и д-ра Вольф-Фабрис (Wolff-Fabris) из Лаборатории высоких магнитных полей в Дрездене.

Исследователи из Колумбийской технической школы построили оптические наноструктуры, которые позволяют им изменять коэффициент преломления и полностью управлять дисперсией света.

Они показали, что свет может распространяться через созданную ими искусственную среду от точки А до точки Б без сдвига фазы и рассеяния, как будто этой среды не существует. Это удалось продемонстрировать впервые в масштабах микросхемы в инфракрасном диапазоне.

Открытие было сделано совместно с учеными из Лондонского университетского колледжа, Брукхейвенской национальной лаборатории и Института микроэлектроники Сингапура.

«Мы все взволнованы этим достижением. Мы создали и продемонстрировали метаматериал с нулевым коэффициентом преломления, - сказал аспирант Сердар Кокаман (Serdar Kocaman) из Технической школы. – Мы увидели, что свет распространяется через материал таким образом, как будто этого материала не существует. Сдвиг фазы такой, как будто свет распространяется в вакууме – эффект, который мы называем нулевым фазовым запаздыванием».

Столь точное управление оптической фазой основывается на уникальной комбинации отрицательных и положительных коэффициентов преломления. Ученые каскадировали среды с отрицательными и положительными коэффициентами преломления таким образом, что целая наноструктура вела себя так, как будто у нее нулевой коэффициент преломления.

«Управление фазой фотонов является действительно важным, - сказал проф. Чи Вэй Вон (Chee Wei Wong), возглавлявший исследование. – Это значительный шаг вперед в попытках передавать данные в фотонных чипах без потери управления фазой света. Это позволит создавать самофокусирующиеся лучи, узко направленные антенны и потенциально приблизиться к созданию «шапки невидимки», по крайней мере, в небольшом масштабе и узкой шкале частот».

Созданные сверхрешетки состоят из чередующихся материалов с отрицательным и положительным коэффициентом преломления, что в результате дает нулевой фазовый сдвиг

Исследование, проведенное в Кавендишской лаборатории Кембриджского университета, пролило новый свет на спинтронику, которая рассматривается как преемница традиционной электроники.

Одним и уникальных свойств спинтроники является возможность переноса спина без потока электрических зарядов. Это явление называется спиновым током. С его помощью можно передавать данные без генерации тепла в электрических устройствах. Основным препятствием для распространения спинтроники является трудность создания достаточно больших спиновых токов для работы будущих электронных устройств. Однако исследователи из Кембриджа совместно группой проф. Сергея Демокритова из Мюнстера (Германия) решили эту проблему. Для того чтобы создать достаточный спиновый ток, исследователи использовали коллективное движение спинов, называемое спиновые волны. Приведя волны во взаимодействие, они продемонстрировали новый более эффективный способ создания спинового тока.

«В природе можно найти множество различных волн, и одна из удивительных особенностей, что эти волны могут взаимодействовать друг с другом. Подобно этому, существует много разных видов взаимодействий спиновых волн. Наша идея заключалась в том, чтобы использовать такое взаимодействие спиновых волн для получения достаточно большого спинового тока», - сказа д-р Хидекацу Куребаяши (Hidekazu Kurebayashi) из Группы микроэлектроники Кавендишской лаборатории.

Согласно открытию, одно из взаимодействий спиновых волн (называемое трехмагнонным расщеплением) генерирует спиновый ток в десять раз больший, чем при использовании невзаимодействующих спиновых волн.

Как ни странно это звучит, новое исследование, опубликованное в FASEB Journal, утверждает, что ингредиент «здоровья» в красном вине, резвератрол, может предотвратить негативное воздействие, которое оказывают на людей космические полеты и сидячий образ жизни. Отчет описывает эксперименты на крысах, для которых симулировали эффект невесомости. У группы, которую кормили резвератролом не развивалась резистентность к инсулину или потеря минеральных солей в позвоночнике в противоположность той, которую не кормили этим веществом.

Конечно, резвератрол не заменит физических упражнений, но сможет замедлить ухудшение здоровья, пока человек не получит возможность снова двигаться.

Эффект невесомости симулировался за счет подвешивания крыс за заднюю часть туловища. Контрольная группа показала снижение массы и тонуса камбаловидной мышцы, развитие резистентности к инсулину и потерю минеральных солей. У группы, принимающей резвератрол, таких отклонений не было. Это изучение также предполагает, что резвератрол может препятствовать ухудшению здоровья у людей, ведущих сидячий образ жизни.

Обсерватория Integral Европейского космического агентства представила результаты, которые будут сильно влиять на физические исследования в области теории гравитации. Было показано, что квант пространства должен быть намного меньше, чем предсказывалось ранее.

 Общая теория относительности Эйнштейна описывает пространство как непрерывный континуум. Однако квантовая теория предполагает, что должен существовать квант пространства, и одной из «больших вещей» современной физики является желание построить квантовую теорию гравитации.

Теперь Integral установил обоснованный новый предел размера кванта пространства, показав, что он должен быть меньше, чем тот, который рассматривается некоторыми теориями квантовой гравитации.

Согласно вычислениям, кванты пространства должны оказывать воздействие на гамма-лучи, распространяющиеся в космосе, - менять их поляризацию. Поляризация высокоэнергетических гамма-квантов должна изменяться больше, чем низкоэнергетических. Разница в поляризации может быть использована для оценки размера кванта пространства.

Д-р Филипп Лоран (Philippe Laurent) из CEA Sacley с сотрудниками использовал полученные данные для изучения разности в поляризации между высоко- и низкоэнергетическими гамма-лучами, испущенными одним из наиболее мощных источников гамма-всплесков GRB 041219A.

Ученые искали разницу в поляризация лучей разных энергий, но не обнаружили ничего в пределах точности измерений.

Некоторые теории предполагают, что квантовая природа пространства должна проявиться на планковской длине 10 ^-35 м. Однако данные, полученные на "Интеграле", в 10 тыс. раз более точные, чем имевшиеся ранее, показали, что размер кванта пространства должен быть порядка 10 ^-48 м или меньше.

«Это очень важный результат для фундаментальной физики, который окажет влияние на некоторые теории струн и квантовой гравитации», - сказал д-р Лоран.

На "Интеграле" выполнялись подобные наблюдения в 2006 г., когда было обнаружено поляризованное излучение из Крабовидной туманности, остатков взрыва сверхновой на расстоянии всего 6500 световых лет от Земли. Новое наблюдение намного более точное, потому что GRB 041219A находится на расстоянии около 300 млн. световых лет.

Теперь слово за теоретиками, которые должны пересмотреть свои теории в свете новых результатов.

Захваченная "Интегралом" вспышка

С целью уменьшения размеров транзисторов на микросхеме, производители перешли от фотолитографии к использованию пучка электронов. Однако стандартная электронная литография намного медленнее, чем оптическая. Увеличение же скорости создает проблемы с разрешением. Так, наименьшее разрешение, полученное с помощью электронной литографии, составило 25 нм, не намного лучше 32 нм, которое показала экспериментальная фотолитографическая система, продемонстрированная некоторыми производителями.

Ученые из Исследовательской лаборатории электроники МТИ представили способ, который позволяет получить разрешение вплоть до 9 нм с помощью высокоскоростного электронного луча. В комбинации с другими появляющимися технологиями он может указать путь для практического использования электронной литографии в производстве массовой продукции.

Все виды литографии используют одинаковый подход. Материалы, которые составляют чип, осаждаются послойно. Всякий раз, когда создается новый слой, он покрывается (фото)резистом, который затем облучается либо светом, либо пучком электронов в точно предопределенных местах. Незасвеченный резист и материал под ним затем вытравливается, а засвеченный остается.

Основная разница между фото- и электронной литографией заключается в фазе экспозиции. В фотолитографии поверхность облучается вся полностью через маску, тогда как электронный луч сканирует поверхность резиста ряд за рядом, что и влечет замедление процесса.

Один из способов его ускорить – использовать множество электронных лучей за один проход. Но тогда возникает проблема, как долго луч должен оставаться направленным на каждую точку поверхности резиста. Эту проблему и решили исследователи из МТИ.

Чем меньше электронов используется для экспозиции точки на резисте, тем быстрее можно перемещать луч. Но уменьшение количества электронов ведет к уменьшению энергии пучка, а низкоэнергетические электроны имеют тенденцию рассеиваться больше, чем высокоэнергетические. Чтобы уменьшить рассеяние, обычно используют лучи с высокой энергией, но это требует резиста, который выдерживает большие дозы электронов. Для повышения разрешения при использовании высокоэнергетических электронных лучей ученые применили два «трюка». Первый заключался в применении более тонкого слоя резиста, чтобы минимизировать рассеяние электронов, а второй – в использовании обыкновенной столовой соли для разработки резиста, затвердевающего только в областях, которые получили несколько больше электронов, чем другие. В целом, это привело к снижению количества электронов, необходимых для экспозиции точки и позволило ученым в Нидерландах построить литографическую систему со 110 параллельными электронными лучами.

Исследователи уверены, что производители чипов будут использовать в точности тот резист, который был разработан в МТИ.

 
Витор Манфринато (Vitor Manfrinato) и Линь Ли Чеон (Lin Lee Cheong) у электроннолучевой литографической системы, используемой в экспериментах

Команда исследователей из Европы разработала базированное на графене устройство, способное определять слабые магнитные поля с рекордной чувствительностью, вплоть до поля нескольких молекул. Исследователи использовали графен как своего рода паутину для химического захвата молекул и определения их намагниченности. Это достижение в спинтронике открывает дорогу для разработки сверхплотных устройств хранения и молекулярных датчиков. Работа была выполнена учеными из S3 Center of Istituto Nanoscienze-Cnr, Insitut Néel – CNRS и Karlsruhe Institute of Technology.

Магнитные молекулы рассматриваются как весьма перспективные для применений в спинтронике, так как они могут хранить бит данных в очень малом объеме. Новое сверхчувствительное устройство позволяет определять магнитное поле на молекулярном уровне. «Такие слабые поля определяются впервые, - сказал Андреа Кандини (Andrea Candini) из Istituto Nanoscienze-Cnr. – Предыдущий рекорд чувствительности превзойден в 100 раз».

Для создания устройства команда осаждала магнитные молекулы на лист графена. Их магнитный поток генерировал соответствующий электрический сигнал. Эксперимент явился результатом трехлетних исследований.

«Вначале мы синтезировали подходящие молекулы, чтобы пересадить их на сотовидную решетку графена, затем мы выкроили графеновый лист, реализующий устройство, и, наконец, выполнили электрические измерения при очень низкой температуре с целью ограничения шумов», - объяснил Андреа Кандини.

Результат показал, что графен, связанный с магнитными молекулами, можно использовать для хранения данных. Новое устройство работает подобно спиновому клапану, присутствующему в современных головках чтения в жестких дисках, но значительно меньше.

Физики из Калифорнийского университета (Санта-Барбара) и Университета Констанца (Германия) сообщили о достижении в использовании алмаза в области квантовых вычислений.

Физики добились, чтобы неустойчивая квантовая информация, которую содержит единичный электрон, передавалась в расположенное рядом ядро азота, а затем получения ее обратно с помощью схемы на чипе.

«Эта возможность является потенциально полезной для создания элемента памяти атомного масштаба в квантовых компьютерах, базирующихся на алмазе, поскольку атомные ядра более устойчивы к деструктивным взаимодействиям с внешней средой», - сказал Дэвид Авшалом (David Awschalom), директор Центра спинтроники и квантовых вычислений UC. Он также отметил, что эксперимент показывает высокую точность воспроизведения операций квантовомеханического вентиля на атомном уровне, позволяя обмениваться полной квантовой информацией между спином одного электрона и спином одного ядра при комнатной температуре. Этот процесс масштабируется и открывает дверь разработке новых твердотельных квантовых устройств.

Ученые недавно показали, что возможно получить тысячи подобных одноэлектронных состояний с помощью пучка атомов азота, намеренно создавая дефекты для захвата единичных электронов.

«Особо интересным делает этот эксперимент то, что атом азота является частью самого дефекта. Это значит, что созданные субатомные элементы памяти автоматически масштабируются с увеличением количества логических бит в квантовом компьютере, - сказал Грег Фукс (Greg Fuchs), один из авторов публикации. – Мы знали, что спин ядра атома азота – хороший выбор для масштабируемой квантовой памяти. Трудность состояла в том, чтобы передать состояние быстро, прежде чем оно разрушится вследствие нарушения когерентности».

Очень быстрая передача квантовой информации долгоживущему спину ядра может в дальнейшем улучшить возможности корректировки ошибок в процессе квантовых вычислений.

Грег Фукс из Калифорнийского университета у экспериментальной установки

Не совсем обычная пресс-конференция состоялась 28 сентября в киевском офисе Cisco Systems. А необычность ее заключалась в том, что участвовавшие в ней журналисты из семи стран Восточной Европы присутствовали виртуально посредством системы TelePresence. Пресс-конференцию провел Дейв Эванс (Dave Evans), главный футуролог и технолог Internet Business Solution Group (IBSG) компании Cisco, который находился в Сан-Хосе (Калифорния).

Темой его презентации были десять технологических тенденций, которые, по его мнению, изменят мир в течение следующих десяти лет. Первая связана с дальнейшим развитием Интернета и переходом на протокол IPv6. Докладчик назвал ее «Интернет вещей» (Internet of Things). Он определяется как точка во времени, когда подключенных к Интернету устройств становится больше, чем пользователей. Начало этой эпохи датируется 2008 г. IBSG предсказывает, что к 2020 г. к Интернету будет подключено 50 млрд. устройств – более шести устройств на одного жителя Земли. Дейв Эванс полагает, что полученная и проанализированная информация поможет человечеству не только выжить, но и процветать в быстро меняющемся мире. В частности, получат распространение датчики, которые позволят осуществлять мониторинг состояния здоровья человека для предупреждения и лечения болезней.

Вторая, ясно просматриваемая тенденция, – это «затопление данными» (свободный перевод оригинального выражения zettaflood). По оценкам, в 2008 г. было сгенерировано 5 ЭБ оригинальных данных (5∙10¹⁸ Б). Всего лишь три года спустя объем сгенерированных данных достиг 1,2 ЗБ (1,2∙10²¹ Б). Источником большинства этих данных было ненасытное желание пользователей обмениваться медиафайлами большого объема, в частности, видео. Ожидается, что к 2015 г. более 90% потока данных через Интернет будет составлять видео.

«Затопление данными» предъявит высокие запросы к сети и требования оптимизации ее архитектуры для обеспечения безопасности, качества обслуживания и эффективности.

Светлое будущее прочат облачным вычислениям. Так, к 2020 г. треть всего объема данных будет «жить» или проходить через облака. Глобальный доход облачных служб будет увеличиваться на 20% ежегодно, а затраты на инновации в этой сфере могут превысить 1 трлн. долл. к 2014 г. Сегодня вычислительные мощности облака достаточны, чтобы обеспечить перевод разговора в режиме реального времени, расширять наши знания посредством доступа к суперкомпьютерам, таким как Wolfram Alpha, поправлять здоровье, используя по-новому вычислительные платформы подобные IBM Watson. Способность системы оперативно ответить на вопрос врача сможет улучшить лечение пациента.

Что касается бизнеса, то здесь важно понимать, что облака хороши настолько, насколько хороши сети, в которых они работают.

Перспективы сетей следующего поколения Дейв Эванс рассмотрел на примере достижений, объявленных в начале года. Так, в феврале компания Ericsson в сотрудничестве с Высшей школой святой Анны в Пизе (Италия) продемонстрировали сеанс Интернет со скоростью 448 Гб/с по оптоволокну. В марте исследователи из Северо-Западного Университета (штат Иллинойс) разработали новый коммутатор, предвестник сверхбыстрого квантового Интернета (используется феномен зацепленных состояний). В апреле был установлен мировой рекорд скорости передачи данных по единичному оптическому волокну – более 100 Тб/с. Наконец, в мае исследователи из Технологического института Карлсруэ (Германия) также установили мировой рекорд скорости передачи данных с использованием одного лазерного луча – 26 Тб/с. И все это произошло на протяжении четырех месяцев.
Прогноз такой, что сети будущего станут на порядок быстрее, чем сегодняшние, и, тем не менее, будут нуждаться в расширении для удовлетворения постоянно растущих требований.

Дейв Эванс считает, что по мере того как скорость, насыщенность и доступность каналов связи (особенно Интернет) будут увеличиваться, люди будут способны быстрее развиваться и прогрессировать. В качестве примера он привел революцию в Египте. Вследствие свободного обмена информацией через Интернет народ Египта был способен организоваться для достижения общей цели. Это массовое выступление заставило правительство уйти в отставку. Другой, правда, уже драматический пример: сообщения японцев в Twitter о землетрясении были посланы раньше, чем об этом оповестила служба Geological Survey Соединенных Штатов жителей штатов Аляска, Вашингтон, Орегон и Калифорния.

Эти истории показывают, что информация о событиях, ее распространение и потребление переходят из режима «практически реального времени» в режим «реального времени». В недалеком будущем каждый сможет стать репортером. Такую возможность обеспечат три технологии: широкополосные беспроводные сети, связь из любой точки мира в любое время и интернет-ТВ. По сути, любой человек со смартфоном сможет зафиксировать событие в режиме реального времени и распространить информацию любому, кто захочет о нем узнать.

Вследствие роста народонаселения и ускорения процессов урбанизации в последующие двадцать лет новые миллионные города будут появляться на планете каждый месяц. Это приведет к беспрецедентной нагрузке на ограниченные запасы ископаемого топлива. Хорошая новость здесь заключается в том, что существует решение этой энергетической дилеммы: наши потребности полностью могут быть удовлетворены за счет энергии Солнца. Фактически, чтобы решить сегодняшние энергетические запросы в глобальном масштабе, необходимо построить 25 солнечных сверхстанций, каждая площадью 36 кв. миль. Сравним это со 170 тыс. кв. км лесов, которые уничтожаются каждый год. При той же скорости солнечные станции могут быть построены в течение трех лет. Недавнее достижение, которое может сделать такие солнечные станции более реальными, это «печать» солнечных элементов. В июне 2011 г. исследователи из Орегонского государственного университета анонсировали новый метод производства солнечных элементов с помощью струйного принтера. Это решение снижает затраты на 90%. Кроме этого, Sandia наладила производство солнечных элементов с 100 раз меньшим расходом материала при сохранении эффективности, а МТИ предложил технологию, позволяющую окнам генерировать энергию без блокировки обзора.

До сих пор мы адаптировались к технологиям, в будущем технологии станут адаптироваться к нам. Приближенные к реальности и управляемые жестами вычисления преобразуют образование, медицину и связь по мере слияния виртуального и реального миров. Максимальной интеграции может достичь интерфейс мозг-машина, что позволит многим инвалидам жить нормальной жизнью.

Докладчик привел примеры некоторых успешных разработок в этой области. В феврале 2009 г. ученые из Университета Торонто изобрели машину, которая с точностью 80% может распознавать некоторые мысли. В октябре того же года на выставочном стенде Toyota демонстрирует управляемое мозгом инвалидное кресло, выполняющее команды с точностью 95%. В марте 2010 г. исследователи из Мэрилендского университета декодируют сигналы мозга и воспроизводят движение руки в трехмерном пространстве. В июле 2011 г. Университет Западного Онтарио разрабатывает технологию для предсказания, что собирается делать персона. И, наконец, к 2030 г. ожидаются имплантаты искусственного мозга.

Революцию в медицине и промышленности произведет технология пространственной печати (3D printing), с помощью которой физический объект создается на основе виртуальной 3D-модели. В основе 3D-печати лежит принцип послойного создания (выращивания) физического объекта. Сегодня уже «печатаются» игрушки, машины и даже биологические объекты, в частности, мускулы и кровеносные сосуды.

Технологические достижения позволяют создавать искусственные персонажи. Анимированные фигуры могут распознавать речь, преобразовывать текст в речь, хранят знания о предыдущих встречах. Роботы также усовершенствуются быстрыми темпами. К 2020 г. они будут физически превосходить людей, а к 2025 г. популяция роботов станет более многочисленной, чем народонаселение планеты. Прогнозируют, что к 2032 г. роботы обгонят людей в интеллектуальных способностях, а к 2035 г. они смогут заменить людей на рабочих местах.
Мы перешли порог открытий, за которым стали хозяевами своей судьбы. В конечном счете, человек является суммой атомов, и он быстро расширяет свои возможности управления ими. В подтверждение этого, докладчик привел слова Стивена Хокинга: «Человечество вступило в фазу планируемой эволюции». Оптимизм здесь поддерживается рядом достижений. В частности, в октябре 2009 г. итальянские и шведские ученые разработали первую искусственную руку, наделенную чувствительностью, в марте 2010 г. было восстановлено зрение с помощью имплантированной сетчатки, а в апреле того же года в Массачусетской больнице в Бостоне 11 пациентам вживили искусственную поджелудочную железу.

Эти тенденции, по словам Дейва Эванса, напоминают нам о том, что мир – удивительное явление. И мы всегда должны себя спрашивать: «Мы готовы?»

Ученые из Центра Гельмгольца установили новый мировой рекорд, создав магнитное поле с магнитной индукцией 91,4 Тл. Чтобы достичь этого рекорда, Сергей Жерлицын с сотрудниками из Лаборатории высоких магнитных полей в Дрездене (HLD) сделали катушку весом около 200 кг, в которой электрический ток создавал магнитное поле в течение нескольких миллисекунд. При этом катушка не разрушилась.

«В действительности мы создавали эту катушку не ради установления рекорда, нас интересовали исследования в области материаловедения», - прокомментировал это достижение Иоахим Возница (Joachim Wosnitza), директор HLD.

Чем более сильное магнитное поле используется, тем более полно ученые могут исследовать материалы, которые применяются в новейших электронных компонентах или в сверхпроводниках.

Трудность в получении сильных магнитных полей заключается, в частности, в том, что оно пытается вытеснить электрический ток из катушки. Уже при 25 Тл медные проводники в катушке разрываются. В то же время для изучения свойств материалов исследователи сегодня нуждаются в магнитных полях с индукцией 90—100 Тл.

«При 100 Тл силы Лоренца будут создавать давление в 40 тыс. раз сильнее, чем давление воздуха на уровне моря», - говорит д-р Возница. Такие силы могут вызвать взрыв. Вот почему в катушках используется специальный сплав и корсет из специальных волокон, которые обычно применяются для изготовления пуленепробиваемых жилетов.

Для получения рекордного магнитного поля были использованы две коаксиальные катушки. Внутренняя генерировала поле с магнитной индукцией 50 Тл, а внешняя – 40 Тл. Длительность импульса тока составляла 1/5 с.

На созданной установке смогут проводить эксперименты не только ученые со всей Европы, но также и из Америки и Японии.

Магнитная катушка