Четверть века тому назад ученые из IBM J. Georg Bednorz и K. Alex Muller изменили ландшафт физики, открыв явление сверхпроводимости в окислах при температуре   –238 °С, что на 50 % превышало предыдущие наблюдения. Это открытие дало начало новой главе в физике и принесло авторам нобелевские премии за 1987 г.

 K. Alex Muller (слева) и J. Georg Bednorz  

Это свойство нового класса материалов, которые раньше не привлекали интереса, вызвало буквально безумную активность среди физиков, которые рисовали в своем воображении новые применения высокотемпературной сверхпроводимости в технике измерений, электротехнологиях и микроэлектронике.

Обращаясь к истории, напомним, что явление сверхпроводимости было открыто в 1911 г. голландским физиком Хейке Камерлинг-Оннесом, имя которого известно каждому студенту технического вуза. И по сей день оно остается все еще одним из самых ярких феноменов, встречающихся в физике.

Опыт, известный как "гроб Магомета" - левитирующий постоянный магнит над сверхпроводником

Как и многие открытия, сверхпроводимость была обнаружена «случайно», при штатном исследовании электрических свойств глубоко охлажденных металлов.

Более 75 лет после обнаружения сверхпроводимости ученые мечтали найти материал, который оставался бы сверхпроводником при температуре выше – 253,15 °С, и в течение этого времени прогресс был весьма слабым. Затем в 1983 г. Bednorz и Muller сконцентрировали свое внимание на окислах, которые включали медь и один или более редкоземельных металлов. Их идея заключалась в том, что атомы меди могли бы обеспечить транспорт электронов, которые взаимодействуют более сильно с кристаллом, чем в традиционных проводниках. Чтобы получить химически стабильный материал, ученые добавили барий в кристалл оксида лантана-меди, получив керамический материал, который и стал первым высокотемпературным сверхпроводником.

Одна из наиболее старых нераскрытых тайн в физике нашего дневного светила – почему внешняя атмосфера, или корона на миллионы градусов горячее, чем его поверхность.

Теперь ученые верят, что они определили основной источник горячего газа, которым подпитывается корона: струи плазмы, врывающиеся в область выше солнечной поверхности.

Открытие решает фундаментальный вопрос астрофизики: как энергия доставляется из внутренних областей Солнца, чтобы создавать его горячую атмосферу.

«Это было настоящей загадкой, как объяснить, почему солнечная атмосфера горячее, чем его поверхность, - сказал Скотт МакИнтош (Scott McIntosh), физик из Высокогорной обсерватории Национального центра атмосферных исследований в Боулдере (штат Колорадо). – Определив, что эти струи вносят тепло в атмосферу Солнца, мы сможем лучше понять солнечные явления и, возможно, улучшить наши знания о том, как Солнце влияет на верхние слои земной атмосферы».

В своем исследовании команда ученых сфокусировалась на струях плазмы, известных как спикулы (выбросы), которые являются фонтанами плазмы, направленными вверх от поверхности звезды во внешнюю атмосферу. В течение десятилетий ученые верили, что спикулы могли бы доставлять тепло в корону. Однако из наблюдений, выполненных в 1980-х, следовало, что спикулы плазмы не достигают температуры короны, и поэтому эта теория надолго вышла из моды.

«Нагревание спикул до миллионов градусов никогда прямо не наблюдалось, поэтому их роль в разогреве короны была отброшена как маловероятная», - сказал Барт де Понтье (Bart De Pontieu), возглавляющий исследования.

Однако в 2007 г. ученые идентифицировали новый класс спикул (Тип II), которые имели большую скорость, часто превышавшую 100 км/с, и меньшее время жизни, чем традиционные.

Быстрое исчезновение этих струй наводило на мысль, что плазма в них очень горяча, но прямые измерения отсутствовали. Исследователи использовали новые наблюдения, полученные с помощью недавно запущенной НАСА Обсерватории динамики Солнца и солнечного оптического телескопа на японском спутнике Hinode.

«Наши наблюдения впервые обнаружили, что имеется прямая связь между плазмой, которая нагревается до миллионов градусов, и спикулами, которые доставляют эту плазму в корону», - сказал МакИнтош.

В течение последних нескольких десятилетий ученые предлагали различные теоретические модели, но отсутствие детальных наблюдений значительно сдерживали прогресс. Теперь же станут более понятными процессы, происходящие в районе границы раздела между видимой поверхностью Солнца, или фотосферой и его короной.

Узкие струи вещества, называемые спикулами, вырываются вверх с поверхности Солнца на высокой скорости

Меньшие и более энергоэффективные чипы могут быть изготовлены из молибденита. Изучение, проведенное в Лаборатории наномасштабной электроники и структуры (LANES) при EPFL (Швейцарский федеральный технологический институт), показало, что этот материал имеет ряд преимуществ перед традиционным кремнием или графеном при использовании в электронике.

Открытие, сделанное в EPFL, может сыграть важную роль в электронике, позволив делать транзисторы меньше и энергоэффективнее. Исследование показало, что молибденит (MoS₂) является очень эффективным полупроводником. Этот минерал, который изобилует в природе, часто используется в стальных сплавах или как добавка в смазочные материалы. Но его возможности применения в электронике не изучались.

«Это очень тонкий двумерный материал, который легко использовать в нанотехнологии, к примеру, для изготовления транзисторов, светодиодов, солнечных элементов», - сказал проф. Андрас Кис (Andras Kis) из LANES.

Одно из преимуществ молибденита – он менее объемистый по сравнению с кремнием, который является трехмерным. В листе толщиной 0,65 нм электроны перемещаются так же легко, как и в 2-нанометровом листе кремния. Но сегодня нет возможности изготовить лист кремния столь же тонкий, как монослой MoS₂. Другое преимущество заключается в том, что из него можно делать транзисторы, которые потребляют в 100 тыс. раз меньше энергии, чем традиционные кремниевые. Он имеет запрещенную зону шириной 1,8 электрон-вольт, и идеально подходит для транзисторов.

Такая запрещенная зона предоставляет молибдениту преимущество и перед графеном, который является «полуметаллом» и не имеет запрещенной зоны, а создать ее искусственно весьма трудно.

Это цифровая модель, которая показывает, как молибденит может встраиваться в транзистор

Ученые из Национальной лаборатории Лос-Аламоса достигли существенных успехов в рамках программы Free Electron Laser (FEL), продемонстрировав инжектор, способный продуцировать электроны, необходимые для генерирования мегаваттных лазерных пучков для систем оружия ВМФ США следующего поколения.

В исследованиях заинтересован Департамент ВМФ США с тем, чтобы развернуть системы лазерного вооружения мегаваттного класса, которые революционизируют защиту кораблей. Ожидается, что FEL обеспечит военный флот почти мгновенной лазерной защитой кораблей по всему миру в любых условиях.

Проект FEL начался как базовая научная и технологическая программа в 1980-х, в рамках которой был построен рабочий прототип мощностью 14 кВт. В 2010 г. его (проекта) уровень повысили от базовых исследований до программы Innovative Naval Prototype, собрав коллектив для его развития. 

Работа лазера основана на пропускании пучка высокоэнергетических электронов, генерируемых инжектором, через серию сильных магнитных полей, что вызывает интенсивное излучение света. Тестирование лазера в полевых условиях планируется осуществить в 2018 г.

Для одной из лабораторий Иллинойского университета «не видеть» значит «не слышать». Группа исследователей, возглавляемая проф. Николасом Фаном (Nicholas Fang), продемонстрировали акустическую шапку-невидимку, которая скрывает от сонара и других ультразвуковых волн подводные объекты.

«Мы не говорим о научной фантастике. Мы говорим об управлении звуковыми волнами посредством искривления их пути и поворотов в сконструированном пространстве, - сказал Фан. – Это определенно не трюк Гарри Поттера».

Хотя теоретически существование материалов, с помощью которых звуковые волны могут огибать объект, а не отражаться или поглощаться им, было возможным, реализация этой концепции представляла проблему.

Команда проф. Фана разработала двумерное устройство, имеющее 16 концентрических колец акустических цепей-волноводов. Каждое кольцо имеет отличный от других коэффициент преломления, что приводит к изменению скоростей звуковых волн при переходе от внешних колец к внутренним.

«В общем, то, что вы видите, является массивом резонаторов, которые соединяются каналами. Когда волна перемещается от кольца к кольцу, ее скорость увеличивается», - говорит проф. Фан.

Так как увеличение скорости требует энергии, звуковые волны распространяются вокруг внешних колец и направляются каналами в акустические цепи. Благодаря специальной конструкции, они изгибают путь звуковых волн и «наматывают» их на внешние слои устройства.

Исследователи протестировали способность своего устройства скрыть стальной цилиндр. Они погрузили его в емкость с водой с источником ультразвука на одной стороне и массивом датчиков на другой. Затем поместили цилиндр внутрь устройства и наблюдали его исчезновение с экрана сонара. Опыты показали, что эффект не зависит от структуры скрываемого объекта.

Одним из преимуществ акустической шапки-невидимки является ее способность скрывать объект от широкого спектра звуковых волн – от 40 до 80 кГц.

Инженеры из Университета Северной Каролины (NCSU) разработали аппаратные способы, которые позволяют программам работать более эффективно посредством существенного увеличения скорости обмена данными между процессорными ядрами.

Сегодня прямого обмена данными между процессорными ядрами не существует. В случае необходимости такой операции одно ядро посылает данные в память, а другое – считывает их с помощью  программных алгоритмов.

«Наша технология более эффективна, поскольку использует только одну команду для передачи данных от одного ядра к другому. Это выполняется в шесть раз быстрее, чем обеспечивается лучшим на сегодняшний день программным алгоритмом», - сказал д-р Джеймс Так (James Tuck), ассистент профессора и соавтор статьи. Технология, называемая Hardware-Accelerated Queueing (HAQu), не является сама по себе аппаратным решением для обмена данными, но облегчает разделение данных с помощью существующих возможностей компьютерных чипов. Поэтому команда исследователей ставит ее в один ряд с программными средствами.

HAQu также более энергоэффективна. Правда, в действительности она потребляет дополнительную энергию при своем функционировании, но за счет ускоренного обмена данными общее потребление чипа уменьшается.

Следующим шагом планируется реализовать разработку на прототипе системы для демонстрации эффективности ее работы в сложной программной среде.

Интернациональная команда исследователей, возглавляемая Джаиро Синовой (Jairo Sinova), физиком из Техасского университета, объявила о достижении, которое может дать новый виток развития полупроводниковой наноэлектронике и информационным технологиям. Группа разработала электрически управляемое устройство, в котором используется спин электрона.

Команда, которая включает исследователей из Кембриджской лаборатории Хитачи, Университетов Кембриджа и Ноттингема в Соединенном Королевстве, а также Академию Наук и Университет Чарльза в Чехии, впервые объединила спиновое состояние и аномальный эффект Холла, чтобы создать реальный спиновый полевой транзистор, работающий при высоких температурах, который был включен в логический вентиль AND. Это первая реализация такого типа транзисторов, предложенная Супрайо Датта (Supriyo Datta) и Бисваджитом Дас (Biswajit Das) из Университета Пердью в 1989 г.

Несмотря на то что после открытия транзистора прошло более 60 лет, он до сих пор манипулирует электронным зарядом в полупроводниках. Усилия технологии были направлены на уменьшение размеров устройств. При приближении к физическому пределу фокус был смещен на установление новых физических принципов, позволяющих преодолеть эти пределы, особенно на использовании спина в качестве логической переменной вместо заряда.

Исследования в области манипулирования спином электрона в полупроводниках насчитывают уже 20 лет. Экспериментальная реализации их краеугольного камня – спинового транзистора – оказалась неожиданно трудной.

«Мы использовали открытый недавно квантовый релятивистский эффект как для манипуляции спином, так и для его определения и подтвердили все принципиальные явления в концепции спинового транзистора», - сказал д-р Йорг Вундерлих (Jorg Wunderlich) из Хитачи.

Для наблюдения операций над спином было сконструировано специально разработанный планарный фотодиод, размещенный рядом с транзисторным каналом. Освещение диода вызывало инжекцию в канал транзистора возбужденных электронов в большей степени, чем спин-поляризованных. К затвору прикладывалось напряжение, с помощью которого можно было оказывать воздействие на спин благодаря релятивистским квантовым эффектам. Эти эффекты также ответственны за возникновение поперечного напряжения в устройстве, которое представляет выходной сигнал, зависящий от локальной ориентации спинов электронов в канале транзистора.

Новое устройство может иметь широкое применение в спинтронных исследованиях в качестве эффективного инструмента для манипулирования и определения спинов электронов в полупроводниках без разрушения спин-поляризованного тока или использования магнитных элементов.

Вундерлих отмечает, что наблюдаемые выходные электрические сигналы остаются большими при высоких температурах и линейно зависимы от уровня круговой поляризации падающего света. Таким образом, устройство представляет реализацию электрически управляемого твердотельного поляриметра, который прямо преобразует поляризацию света в электрическое напряжение. Он говорит, что будущие приложения могут использовать устройство, чтобы определять содержание киральных молекул в растворах, например, для измерения уровня сахара в крови пациентов или в вине.

Хотя Вундерлих осознает, что еще не очевидно, станут или нет основанные на спине устройства альтернативой или дополнением к своим традиционным собратьям в области обработки данных, он говорит, что сделанное открытие сдвигает фокус от теоретических спекуляций к построению прототипов микроэлектронных устройств.

Иллюстрация устройства, используемого в качестве базы для спинового полевого транзистора. Затвор сверху электронного канала (не показан) управляет прохождением спина (показано на верхней правой панели) и вслед за этим выходными сигналами

Ученые из Института Кавли при Технологическом университете Делфта и Эйндховенского технологического университета добились успеха в управлении кубитами, строительными блоками будущих квантовых компьютеров. Они теперь способны манипулировать ими с помощью электрического, а не магнитного поля. Они также смогли встроить эти кубиты в полупроводниковые нанопроволоки.

Один из способов построить кубит – это захватить электрон в полупроводнике. Вплоть до недавнего времени спином электрона управляли с помощью магнитных полей. Однако эти поля крайне трудно генерировать на чипе. Электронным спином в кубитах, созданных голландскими учеными, можно управлять посредством электрического поля, что имеет ряд преимуществ.

Другим важным достижением является то, что ученым удалось встроить два кубита в нанопроволоки, изготовленные из полупроводника, – арсенида индия. «Такие нанопроволоки широко используются в качестве обычных строительных блоков в наноэлектронике. Среди прочих применений нанопроволоки являются отличной платформой для квантовой обработки информации», - сказал Лео Кувенховен (Leo Kouwenhoven), ученый из Института Кавли.

Изображение устройства, сделанное с помощью сканирующего микроскопа. Электроды затвора используются для электрического управления кубитами, а исток и сток – для определения состояния кубита

Физики из Технического университета Мюнхена (TUM) и Кельнского университета сообщили об эксперименте, результаты которого могут открыть путь к более быстрой и энергоэффективной записи и обработке данных. Исследователи из TUM смогли привести в движение пространственную структуру (решетку) магнитных вихрей в материале с помощью электрического тока почти в миллион раз более слабого, чем в предыдущих экспериментах. При этом физики наблюдали взаимодействие между электрическим током и магнитной структурой посредством измерений поведения пучка нейтронов, испускаемых источником FRM II, установленном в г. Гархинге (Германия).

В последние несколько лет ученые сконцентрировались на том, как данные могут быть записаны на магнитный носитель прямо с помощью электрического тока. До сих пор проблема заключалась в том, что для этого необходимы были очень большие значения тока.

Немногим более года назад проф. Кристиан Пфлайдерер (Christian Pfleiderer) с сотрудниками из департамента физики TUM открыли новую магнитную структуру в кристалле марганцовистого кремния – решетку магнитных вихрей. Эксперименты в Гархинге были стимулированы теоретическими предсказаниями проф. Ахима Роша (Achim Rosch) из Кельнского университета и проф. Ремберта Дюне (Rembert Duine) из Университета Ультрехта.

Команда Кристиана Пфлайдерера пропустила электрический ток через марганцовистый кремний. С помощью потока нейтронов они были способны наблюдать кручения в решетке магнитных вихрей, которые они вначале не могли объяснить.

В качестве следующего шага исследователи провели эксперименты на устройстве MIRA нейтронного источника FRM II с целью определить, почему решетка закручивалась при пропускании электрического тока. Сначала вычисления противоречили результатам экспериментов в Гархинге. «Магнитная структура крутится, потому что направление электрического тока сильно изменяется благодаря квантовомеханическим эффектам», - объяснил Кристиан Пфлайдерер. Когда электрон проходит через магнитный вихрь, его спин взаимодействует с вихрем. Таким образом, электрический ток воздействует на магнитные вихри, которые начинают двигаться.

После серии измерений ученые сумели установить, что решетка магнитных вихрей демонстрирует свойства, которые могут быть интересны в области нанотехнологий, в частности, для разработки систем хранения данных нового типа. Примечательно, что магнитные вихри очень стабильны и в то же время слабо закреплены в материале, так что даже очень слабый электрический ток может привести их в движение. Это в будущем может позволить записывать и обрабатывать данные быстрее и эффективнее. 

На иллюстрации показано, как магнитные вихри в марганцовистом кремнии образуют регулярную решетку

Ученые из Университета Райса и Принстонского университета нашли, как использовать один из основных материалов информационной индустрии – полупроводника арсенида галлия – в качестве сверхчувствительного микроволнового детектора, который может быть применен в компьютерах следующего поколения.

«Технология перестраиваемых детекторов фотонов в микроволновом диапазоне развита слабо, - сказал Жуй-Жуй Ду (Rui-Rui Du), физик из Райсовского университета. – Имеются полупроводниковые однофотонные детекторы в диапазоне 10—100 ГГц, но их резонансные частоты слишком сложно подстраивать. Наше открытие наводит на мысль, что перестраиваемый однофотонный детектор может быть создан с помощью сверхчистого арсенида галлия».

В исследовании использовался охлажденный до температуры жидкого гелия сверхчистый образец арсенида галлия. Его бомбардировали фотонами микроволнового диапазона, одновременно прикладывая слабое магнитное поле. Неожиданно было обнаружено, что излучение с определенной длиной волны сильно резонировало с охлажденным образцом. Ученые также обнаружили, что с помощью магнитного поля резонансную частоту можно регулировать.

Хотя ученые еще не поняли механизма, который лежит в основе такой чувствительной реакции, они не останавливают исследования, преследуя цель использовать полученный эффект для однофотонных измерений. Открываются также перспективы создания устройств, которые генерируют и передают данные с помощью фотонов, что позволит производить более быстрые и мощные компьютеры.