Эффективность является проблемой для современных солнечных панелей: они собирают около 20% падающего света. Теперь инженер из Университета штата Миссури (UM) разработал гибкий солнечный лист, который захватывает более 90% падающего света, и он планирует сделать прототип, доступный потребителям, в следующие пять лет.

Патрик Пинэро (Patrick Pinhero), адъюнкт-профессор департамента химической инженерии, пояснил, что получение электричества с использованием традиционных гальванических методов сбора солнечной энергии неэффективно, так как при этом теряется много солнечного излучения в большей части спектра. Устройство, разработанное его командой, – тонкий лист, на котором сформирован массив небольших антенн, называемых нантеннами, - может собирать тепло, выделяемое при индустриальных процессах, и превращать его в электричество. Их амбициозные планы – расширить концепцию до прямых солнечных нантенных устройств, способных собирать солнечное излучение в близкой инфракрасной и видимой области солнечного спектра.

«Наша цель – собрать и утилизировать столько солнечной энергии, сколько позволяет теоретический предел, и вывести устройство на рынок по доступной цене, - говорит проф. Пинэро. – В случае успеха этот продукт обеспечит на порядок большую эффективность по сравнению с сегодняшними устройствами».

Исследователи из НР и Университета Калифорнии (Санта-Барбара) проанализировали с беспрецедентной детализацией физические и химические свойства электронного устройства, которое, как надеются инженеры, преобразует вычисления.

Мемристоры (memory resistors) обрели новое понимание в качестве элемента схем для разработки электроники и вдохновили экспертов искать пути имитации поведения нашей мозговой активности внутри компьютера.

Предполагается, что мемристоры со способностью «запоминать» полный электрический заряд, который через них проходит, принесут наибольшую пользу, когда они смогут действовать подобно синапсам внутри электронной цепи, имитируя сложную сеть нейронов, имеющуюся в мозге человека, позволяющую ему воспринимать, думать и запоминать.

Имитация биологических синапсов – соединений между двумя нейронами, по которым передается информация в нашем мозге, - может привести к широкому спектру новых приложений, включая полуавтономных роботов, если удастся воспроизвести сложные нейронные сети в искусственной системе.

Для того чтобы использовать огромный потенциал мемристоров, исследователи вначале нуждаются в понимании физических процессов, происходящих внутри них, в очень малых масштабах.

Мемристоры имеют очень простую структуру – часто это только тонкая пленка, сделанная из двуокиси титана, помещенная между двумя металлическими электродами, – и они интенсивно изучались в терминах их электрических свойств.

Впервые было проведено неразрушающее изучение физических свойств мемристоров, позволяющее более детально взглянуть на химические и структурные изменения, происходящие при их функционировании.

Исследователи изучили канал, где происходит переключение сопротивления мемристоров, комбинируя несколько техник.

Они использовали высоко фокусированные рентгеновские лучи, чтобы локализовать и отобразить канал шириной 100 нм, в котором переключается сопротивление. Затем полученные данные были подставлены в математическую модель, описывающую нагревание мемристора.

«Одна из самых больших трудностей при использовании этих устройств заключается в понимании, как они работают, в микроскопической картине того, как происходят такие огромные и обратимые изменения в их сопротивлении, - сказал Джон Поль Страхан (John Paul Strachan) из НР Labs. – Теперь у нас есть непосредственная картина теплового профиля, который локализован вокруг канала, и это должно сыграть большую роль в ускорении понимания физических основ поведения мемристоров».

«Гонка мегагерц» окончилась примерно 10 лет назад, дойдя до разумного компромисса с рассеиваемой энергией. Казалось, что пути повышения частоты без перегрева чипов не существует.

Однако ученые из МТИ совместно с коллегами из Аугсбургского университета в Германии сообщили об открытии нового физического явления, которое позволило бы производить транзисторы с намного улучшенной емкостью, которая определяет напряжение, необходимое для перемещения зарядов. И это, в свою очередь, могло бы привести к возрождению тактовой частоты как меры вычислительной мощности.

Емкость определяет, какая величина заряда аккумулируется под затвором при заданном напряжении. Мощность, потребляемая чипом, и выделяемое тепло пропорциональны квадрату прикладываемого напряжения. Таким образом, понижение рабочего напряжения может привести к существенному снижению рассеиваемой мощности, создавая возможность повышать тактовую частоту.

Группа ученых исследовала необычную физическую систему, которая образуется путем выращивания алюмината лантана на поверхности титаната стронция. Алюминат лантана состоит из чередующихся слоев окисла лантана и окисла алюминия. Лантановый слой имеет небольшой положительный заряд, алюминиевый – небольшой отрицательный. Результирующее электрическое поле создает разность потенциалов между верхней и нижней поверхностями материала.

Обычно и алюминат лантана, и титанат стронция являются изоляторами. Но физики обнаружили, что если алюминат лантана взять достаточно толстым, напряжение будет увеличиваться до значения, когда некоторые электроны начнут двигаться от верхней поверхности к нижней, чтобы предотвратить так называемую поляризационную катастрофу. В результате в месте соединения с титанатом стронция появляется проводящий канал, во многом подобный тому, который образуется в транзисторах. Тогда ученые решили измерить емкость между каналом и электродом затвора наверху алюмината лантана.

Обнаруженное их удивило. Хотя аппаратура несколько ограничивала возможности эксперимента, но напрашивался вывод, что очень малое изменение напряжения может вызывать появление большого заряда в канале между двумя материалами. Примечательно, что все это работает при комнатной температуре.

Емкость материала оказалась столь высокой, что исследователи сомневались, что это объяснимо существующей физикой. «Мы видели подобный эффект в полупроводниках, - сказал проф. Раймонд Ашури (Raymond Ashoori) из МТИ. – Но это были очень чистые образцы, и эффект был очень мал. А здесь – очень грязный образец и очень большой эффект. Не совсем ясно, почему он такой большой. Это может быть новый квантовомеханический эффект или неизвестная физика материала».

Однако исследованная система обладала одним недостатком: хотя в канале перемещался большой заряд, но вследствие низкой подвижности, ток оставался небольшим. Это может быть следствием сильной загрязненности образца.

Правда, некоторые ученые высказывают опасения, что такие изменения технологии производства чипов, столкнутся с большим сопротивлением индустрии. С этим соглашается и проф. Ашури: «Это не перевернет электронику завтра. Но этот механизм существует, и мы знаем, что он существует, и если мы сможем его понять, мы можем попытаться сделать его приемлемым для индустрии».

Экспериментальная установка с образцом, который выглядит подобно пластинке толстого стекла с тонкими электродами, осажденными наверху

Ученые из Брукхевенской национальной лаборатории помогли раскрыть наномасштабную структуру новой формы углерода, внеся вклад в объяснение, почему этот новый материал действует подобно губке, когда он заряжается. Материал, который недавно создан в Техасском университете, может быть инкорпорирован в суперконденсатор для хранения энергии, сохраняя при этом такие привлекательные свойства, как сверхбыстрое высвобождение энергии, быстрое время зарядки и способность выдерживать не менее 10 тыс. циклов зарядки/разрядки.

«Эти свойства делают новую форму углерода особенно привлекательной для устройств хранения электрической энергии, требующих также быстрого высвобождение энергии, например, в электромобилях или для сглаживания неравномерности от таких источников, как ветрогенераторы и солнечные батареи», - сказал специалист по материаловедению Эрик Стах (Eric Stach) из Брукхевена.

Большинство суперконденсаторов не могут удерживать такой же большой заряд, как аккумуляторы, поэтому они используются в ограниченном числе приложений, где необходимо быстро высвободить небольшое количество энергии или важен длительный срок эксплуатации.

Новый материал, разработанный в Техасском университете, может изменить эту практику. Суперконденсаторы, изготовленные из него, имеют плотность энергии, приближающуюся к таковой в свинцово-кислотных аккумуляторах, сохраняя при этом способность к быстрому ее высвобождению.

Команда ученых создала более пористую форму углерода, используя гидроксид калия для реструктуризации химически модифицированных графеновых пластинок. Такая химическая активация ранее использовалась, чтобы создать различные формы активированного углерода, имеющего поры, которые увеличивают площадь поверхности. Он применяется в фильтрах и других приложениях, включая суперконденсаторы. Но поскольку новая форма углерода сильно превосходила другие, используемые в суперконденсаторах, ученые решили охарактеризовать ее структуру на наномасштабном уровне.

Руководитель группы Родни Руофф (Rodney Ruoff) из Техасского университета выдвинул гипотезу, что материал, состоящий из непрерывной трехмерной сети пор со стенками толщиной один атом, со значительной частью, имеющей отрицательную кривизну, подобен вывернутому наизнанку бакиболлу (фуллерену). Он обратился к Стаху из Брукхевена за помощью в исследовании структуры, чтобы подтвердить или опровергнуть гипотезу.

Глубокое изучение структуры показало, что гипотеза Руоффа была фактически корректной, и что трехмерная наномасштабная структура состоит из сети сильно искривленных одноатомных стенок, образующих тонкие поры шириной от 1 до 5 нм.

Между тем, ученые говорят, что техника обработки, использованная для создания новой формы углерода, хорошо масштабируется для промышленного производства.

Дон Су и Эрик Стах используют мощный электронный микроскоп для анализа образцов активированного графена в Брукхевенском центре наноматериалов

Ученые, работающие в рамках Национальной исследовательской программы Швейцарии «Неионизирующее излучение – здоровье и среда» (NRP 57), показали, что излучение, производимое радиоантенной или мобильными телефонами, может влиять на биологические процессы, например, электрическую активность мозга во время сна. Однако они не смогли установить какую-либо связь между ежедневным облучением и проблемами со здоровьем.

Наряду с увеличением использования мобильных телефонов, растет и использования других технологий, связанных с электромагнитными полями и излучением, например, беспроводных подсоединений к Интернету или радиотелефонов. Как это влияет на здоровье и окружающую среду?

Вопреки международным попыткам, в которые уже на протяжении четырех лет вносит свой вклад и NRP 57, легкого ответа на этот простой вопрос нет. Некоторые исследовательские проекты в рамках NRP 57 подтвердили, что неионизирующее излучение воздействует на биологические процессы в клетках и органах. С помощью экспериментов на культуре клеток они открыли, что излучение вызывает небольшое увеличение ДНК-разрывов, однако без прямого ее повреждения. В другом исследовании впервые были собраны данные об использовании мобильных телефонов и времени облучения. Однако какая-либо связь между ежедневным облучением и здоровьем не была обнаружена.

В итоге, проведенное исследование в рамках NRP 57, не обнаружило каких-либо новых тревожных фактов, которые требовали бы изменения законов и вмешательства властей. С одним исключением: до сих пор не уделялось достаточного внимания необходимой защите плода при внутриутробном развитии. Используя численное моделирование, Нильс Кастер (Niels Kuster) с коллегами из Foundation for Research on Information Technologies in Society (IT'IS) симулировал дозу электромагнитного излучения, которое достигает плод на третий, седьмой и девятый месяцы беременности. Посредством этого они обнаружили, что излучение, которому подвергался плод, лежит выше допустимого порога для обычных людей, если мать максимально подвергается его действию на рабочем месте. Для того чтобы защитить плод от чрезмерного облучения, стандарты для технического оборудования на рабочем месте, в частности, индукционных плит, должны быть откорректированы.

Команда, возглавляемая Петером Ахерманном (Peter Achermann) из Института фармакологии и токсикологии Цюрихского университета, открыла изменения в электроэнцефалограмме в течение сна, если субъект подвергался облучению в процессе получасового разговора по мобильному телефону перед сном. Однако изменения мозговой активности, по сравнению с ложным облучением в контрольном эксперименте, не воздействовали на структуру и продолжительность различных фаз сна, и ощущение его качества.

Команда Мартина Реесли (Martin Röösli) из Швейцарского института здравоохранения в Базеле провела анкетирование, в котором на вопросы о здоровье и качестве жизни ответили более 1 тыс. чел. Затем они сравнили эти данные с повседневным облучением. Результаты показали, что средняя напряженность 1 В/м лежит намного ниже порога, принятого в Швейцарии, и что нет связи между использованием мобильных телефонов или радиотелефонов и здоровьем.

Все еще остается неясным, является ли доказанный эффект на мозг и клетки существенным для здоровья человека. Дальнейшие исследования могут привести к лучшему пониманию того, как электромагнитное излучение действует на органы и организмы.

Компенсация пограничной неустойчивости в эксперименте ASDEX (Axially Symmetric Diverter Experiment) Upgrade указывает путь Международному термоядерному экспериментальному реактору (ITER).

Первые проведенные после почти года модификаций эксперименты прошли успешно. Восемь магнитных управляющих катушек на стенке контейнера плазмы в устройстве ASDEX Upgrade снизили неустойчивость, вызываемую возмущениями, так называемые локализованные на границе моды (Edge Localized Modes (ELMS), к требуемому уровню. Если выбросы граничной плазмы становятся слишком сильными, они могут вызвать значительные повреждения в контейнере плазмы в устройствах класса ITER.

Для осуществления термоядерной реакции необходимо, чтобы плазма – разреженный ионизированный газ водорода – была ограничена в магнитном поле без соприкосновения со стенками контейнера и нагрета до температуры более 100 млн градусов.

Сложное взаимодействие между заряженными частицами плазмы и ограничивающим магнитным полем может вызывать все виды возмущения удержания плазмы. Наиболее обсуждаемыми по отношению к ITER являются ELMS. Они приводят к кратким потерям удержания пограничной плазмы и периодическим выбросам пучков частиц и энергии за стенки контейнера. Вплоть до 0,1 полной энергии уходит таким путем. Если современное поколение термоядерных реакторов среднего размера с этим могут справиться, то это может вызвать перегрузку в более масштабных устройствах, таких как дивертор ITER (специальное устройство, служащее для приема потоков частиц и излучения с периферии плазменного шнура). В итоге непрерывность реакции будет недостижима.

Эта ELM-неустойчивость, в общем, не всегда нежелательна, потому что она выталкивает нежелательные примеси из плазмы. Поэтому преследуется цель достигнуть более слабых, но более частых возмущений ELMS. Решение стоимостью 300 млн евро, первоначально спланированное на прошлый год, было отложено командой ITER.

Эксперименты на ASDEX Upgrade прояснили ситуацию: вскоре после включения питания на новых управляющих катушках, возмущения ELMS снизились до безопасного уровня. В то же время они происходили достаточно часто, чтобы предотвратить накопление примесей в плазме. При этом сохраняется хорошее удержание плазмы.

Но все цель достигнута не полностью. Эффекты в пограничной плазме ITER не могут быть полностью симулированы в устройстве меньшего размера, таком как ASDEX Upgrade. Поэтому становится все более важным понять процессы, лежащие в основе подавления ELMS. Для этого есть время, остающееся до реализации решения на ITER, запланированного на 2012 г.

Встраивание управляющих катушек в контейнер плазмы установки ASDEX Upgrade

Исследователи из Университета Мериленда разработали новый процесс, названный литография с увеличенным разрешением посредством фотоиндуцированной деактивации (Resolution Augmentation through Photo-Induced Deactivation, RAPID), который может создавать наноструктуры с детализацией 40 нм, или в 20 раз меньшей, чем используемая в типичных случаях длина волны 800 нм.

Идея была позаимствована у технологии, которая лежит в основе микроскопии со стимулированным подавлением эмиссии (STimulated-Emission-Depletion (STED) microscopy), в которой первый лазерный импульс возбуждает флуоресцентные молекулы, а второй, более длинноволновый, «гасит» молекулы с помощью стимулированной эмиссии везде, кроме центрального района фокального объема импульсов. Затем формирование пространственной фазы ослабляющего пучка локализует флуоресценцию в зоне намного меньшей, чем длина волны возбуждающего света.

Аналогично RAPID-литография использует один лазерный пучок для инициализации полимеризации в фоторезисте и затем второй для деактивации фотоинициаторов и остановки процесса полимеризации. Пространственное формирование фазы деактивирующего луча может создавать структуры намного меньшие, чем длина волны активирующего. Однако в отличие от STED-микроскопии, которая требует двух пучков с разной длиной волны, команда исследователей после ряда экспериментов с разными молекулами красителей, или фотоинициаторов, нашла такой, в котором процесс полимеризации инициировался импульсами длительностью 200 фс, а деактивировался импульсами длительностью 50 пс при одной и той же длине волны 800 нм. Это значит, что процесс RAPID-литографии может быть реализован с помощью одного лазерного источника.

Исследователи полагают, что оптимизируя фазовую маску, длину волны лазера и фотоинициаторы, они смогут разработать наноструктуры с детализацией 10 нм. «Повышение разрешения с помощью RAPID значительно расширяет возможности и потенциальные применения двухфотонной полимеризации, - сказал Джон Фуркаш (John Fourkas), профессор химии из Университета Мериленда. – Мы рассматриваем возможности использования RAPID в литографии поверхностей для приложений в нанофотонике и в нанобиотехнологиях, и по мере увеличения разрешения и улучшения свойств материалов, мы ожидаем, что RAPID будет использоваться в широком круге наномасштабных приложений».

Исследовательская группа из Кильского университета, возглавляемая проф. Райнером Хергесом (Rainer Herges), химиком, впервые успешно осуществила прямое управление магнитным состоянием единичной молекулы при комнатной температуре. Такая «переключаемая» молекула может быть использована как для создания тонких электромагнитных устройств хранения, так и для формирования изображений в медицине.

Ученые разработали машину, сконструированную подобно проигрывателю. Молекула состоит из иона никеля, окруженного пигментным кольцом из порфирина, и атома азота, который нависает над кольцом подобно тонарму проигрывателя. «Когда мы облучаем эту молекулу сине-зеленым светом, атом азота располагается точно вертикально к иону никеля, как игла, - объяснил проф. Хергес. – Это приводит к тому, что ион никеля становится магнитом, потому что устраняет эффект образования электронных пар». Противоположный эффект производит облучение сине-фиолетовым светом: атом азота поднимается, электроны образуют пару и ион никеля теряет магнитные свойства.

Полученный переключатель с диаметром всего 1,2 нм может быть использован в качестве тонкого магнитного накопителя в молекулярной электронике. Этим могут заинтересоваться производители жестких дисков, поскольку путем уменьшения размеров магнитных частиц может быть достигнута высокая емкость дисков. Проф. Хергес также считает, что использование такого переключателя может быть полезно в области медицины: молекула может служить внутривенным контрастным агентом в МРТ.

Проф. Райнер Хергес (слева) и Марсель Доммашк (Marcel Dommaschk) облучают раствор с молекулами сине-зеленым и сине-фиолетовым светом

Физики приблизились как никогда ранее к источнику таинственной темной материи благодаря успешной работе Компактного мюонного соленоида (CMS), детектора частиц, части Большого адронного коллайдера (LHC) в ЦЕРН. Ученые выполнили полноценный эксперимент по столкновению протонов.

Когда эти частицы сталкиваются в сердце CMS, получаемые энергия и плотность материи подобны тем, что существовали в первые мгновенья рождения Вселенной, непосредственно после Большого взрыва. Уникальные условия, создаваемые реакцией, могут приводить к рождению новых частиц, которые могли бы существовать в эти ранние мгновенья, а потом исчезнуть.

Исследователи говорят, что они на пути, чтобы либо подтвердить, либо опровергнуть теории суперсимметрии, которые могут решить много кардинальных вопросов в физике элементарных частиц. Теория суперсимметрии могла бы стать расширением Стандартной модели, которая с удивительной точностью описывает взаимодействие известных элементарных частиц, но не включает гравитацию, темную материю и темную энергию.

Темная материя является невидимой субстанцией, которая не может быть непосредственно обнаружена, но ее присутствие влияет на движение галактик. Физики верят, что она составляет около четверти массы всей Вселенной, тогда как обычная видимая – только около 5%.

Проф. Джефф Холл (Geoff Hall) из Департамента физики Имперского Колледжа в Лондоне, который участвует в экспериментах на CMS, сказал: «Мы сделали важный шаг в охоте за темной материей, хотя и не открыли ее. После такого удачного эксперимента, мы испытываем оптимизм по поводу проверки теории суперсимметрии в последующие несколько лет».

Энергия, освобождаемая в результате столкновения протонов, проявляет себя в виде разлетающихся во все стороны частиц. Большинство столкновений рождает известные частицы, но в редких случаях могут рождаться и новые, включая предсказанные суперсимметрией и известные как суперсимметричные частицы (sparticles). Легчайшая из них является естественным кандидатом на темную материю, поскольку является стабильной, и CMS мог бы «видеть» такие объекты по нарушению законов сохранения энергии и импульса, хотя непосредственный сигнал в детекторе будет отсутствовать.

Чтобы обнаружить такие частицы, физики ждут столкновения, которое рождает две или более высокэнергетических струй элементарных частиц и значительную «потерю» энергии.

Д-р Оливер Бухмюллер (Oliver Buchmueller), также из лондонского Имперского Колледжа, объяснил: «Мы нуждаемся в хорошем понимании обычных столкновений, чтобы распознать необычные, когда они произойдут. Такие столкновения случаются крайне редко. Мы проанализировали около 3 трлн. протон-протонных столкновений и обнаружили 13 похожих на суперсимметричные. Хотя нет очевидных экспериментов по обнаружению суперсимметричных частиц, эти измерения существенно сузят область для поиска темной материи».

Одно из самых ранних событий в CMS, демонстрирующее две струи. Голубая и красная колонки представляют энергию, поглощенную детектором, тогда как желтые кривые – треки частиц

Команда исследователей из Лоуренсовской национальной лаборатории и Калифорнийского университета (все в Беркли) провела первую экспериментальную демонстрацию градиентной плазмоники (GRIN, gradient index), гибридной технологии, которая открывает двери широкому спектру оптических приложений, включающих сверхбыстрые компьютеры, использующих световые, а не электрические сигналы, сверхмощные оптические микроскопы, способные увидеть молекулы ДНК в спектре видимого света, и маскировочные «шапки невидимки».

Работая с композитными диэлектриками на металлической подложке и электроннолучевой литографией, стандартным методом в индустрии компьютерных чипов для создания 3D-топографии, исследователи изготовили высокоэффективные плазмонные версии линз Люнеберга и Итона. Первая линза одинаково хорошо фокусирует свет со всех направлений, а вторая – изгибает свет на 90° со всех входящих направлений.

«Наша техника GRIN-плазмоники обеспечивает практический путь для маршрутизации света в очень малой пространственной шкале и производства эффективных функциональных плазмонных устройств», - сказал Сян Чжан (Xiang Zhang) из Калифорнийского университета, возглавляющий исследования.

Градиентная плазмоника комбинирует методологии из трансформационной оптики и плазмоники, двух новых направлений науки, которые могут революционизировать наши возможности использования света. «Применение трансформационной оптики в плазмонике позволяет точно управлять световыми волнами в очень ограниченном пространстве в контексте двумерной оптики, - сказал Чжан. – Наша техника аналогична хорошо известной градиентной оптике, в то время как предыдущие плазмонные техники основывались на дискретной структуре металлической поверхности в металл-диэлектрическом композите».

Подобно всем плазмонным технологиям градиентная плазмоника стартует с поверхностной электронной волны, которая образуется электронами проводимости в металле. Кванты этого поля, плазмоны, взаимодействуют с фотонами на поверхности раздела металл-диэлектрик, образуя квазичастицы, называемые поверхностными плазмонными поляритонами (SPP).

Линзы Люнеберга и Итона, изготовленные Чжаном с сотрудниками, сильнее взаимодействуют с SPP, чем с фотонами. Чтобы сделать эти линзы, исследователи разместили тонкую пленку диэлектрика на поверхности золотой пластины. Далее они облучали пленку электронным пучком, интенсивность которого изменялась по мере продвижения по поверхности пленки. В результате удалось получить хорошо контролируемые изменения толщины пленки по длине диэлектрика, что изменяло локальное распространение SPP. В свою очередь, индекс моды, который определяет как быстро будет распространяться SPP, изменялся так, что на направление SPP можно было влиять.

Выбранный подход позволит потенциально создавать по стандартной технологии функциональные плазмонные элементы с низкими потерями, которые будут полностью совместимы с действующей плазмоникой.

Слева микрофотография линз Итона, полученная с помощью сканирующего электронного микроскопа. Справа флуоресцентное изображение показывает интенсивность распространения SPP по оси Z (стрелка) и изгибание направо при прохождении через линзу Итона. Сплошная линия изображает внешний диаметр линзы, а пунктирная – область с высоким индексом