`

СПЕЦІАЛЬНІ
ПАРТНЕРИ
ПРОЕКТУ

Чи використовує ваша компанія ChatGPT в роботі?

BEST CIO

Определение наиболее профессиональных ИТ-управленцев, лидеров и экспертов в своих отраслях

Человек года

Кто внес наибольший вклад в развитие украинского ИТ-рынка.

Продукт года

Награды «Продукт года» еженедельника «Компьютерное обозрение» за наиболее выдающиеся ИТ-товары

 

Впервые изменен цвет одиночного фотона

Исследователи из NIST впервые продемонстрировали преобразование длины волны одиночного фотона из ближней инфракрасной области (1300 нм), излученного полупроводниковой квантовой точкой, в фотон с длиной волны из ближней области видимого света 710 нм. Способность изменять цвет одиночного фотона может помочь в разработке гибридных квантовых систем для применения в квантовой связи, вычислениях и метрологии.

Два важных компонента квантовой обработки данных включают передачу данных, закодированных в квантовых состояниях фотона, и их хранение в долгоживущих внутренних состояниях систем, подобных захваченным атомам, ионам или твердотельным ансамблям. Идеальным является устройство, которое одинаково хорошо генерирует и сохраняет фотоны. На практике, однако, возникают проблемы, поскольку в типичном случае квантовая память хорошо поглощает и хранит фотоны из ближней области видимого света, а передача происходит в ближней инфракрасной области, в которой меньше потери в оптоволокне.

Чтобы совместить эти два конфликтующих требования, команда из NIST объединила в сдвоенном оптоволокне источник единичного фотона и детектор с преобразованием с повышением частоты. Последний использует сильный лазер накачки и специальный кристалл с нелинейными свойствами для преобразования фотонов с низкой частотой в фотоны с высокой частотой.

По словам авторов статьи Мэтью Ракера (Matthew Rakher) и Картика Шринивасана (Kartik Srinivasan) предыдущие эксперименты по повышению частоты страдали от несовершенства излучателей одиночных фотонов. В то же время квантовая точка действует как истинный источник одного фотона.

Преобразование с повышением частоты облегчает детектирование фотона, поскольку коммерчески доступные однофотонные детекторы в ближней инфракрасной области сильно шумят, тогда как детекторы в ближней области видимого света более совершенны.

Впервые изменен цвет одиночного фотона

В новой эксперименте NIST цвет одиночных фотонов, излученных квантовой точкой (QD SPS), меняется с помощью повышающего частоту кристалла и лазера накачки к более удобному для детектирования

Обнаружено туннелирование фононов через вакуум

Отметим, что в данном контексте речь идет не о передаче тепла посредством излучения.

Ученые из Исследовательской лаборатории ВВС США в Огайо обнаружили, что тепло может передаваться через нанометровую вакуумную щель, что ранее считалось невозможным. Это происходило за счет туннелирования фононов, квантов тепловых колебаний, через запрещенную зону. Открытие может оказаться важным для совершенствования термоэлектрических устройств и нанометровых электронных цепей будущего.

В обычном случае тепло может передаваться от одного объекта к другому только при их контакте. При этом фононы передаются от более теплого объекта к более холодному. Вплоть до недавнего времени такая передача считалась неосуществимой между несоприкасающимися телами в вакууме, поскольку последний является запрещенной зоной для фононов.

Команда из США опровергла это положение посредством прямого измерения теплового потока между платиноиридиевым зондом сканирующего туннельного микроскопа, который имел комнатную температуру, и поверхностью золотого образца, охлажденной до 90, 150 или 210 К. Щель между двумя объектами имела ширину 0,3 нм.

Исследователи обнаружили, что тепловая энергия, передаваемая через щель, превышала радиационное излучение Планка в с2/v2 = 1010 раз (с – скорость света в вакууме, v – скорость звука). Согласно их измерениям, это означает, что последний атом на конце зонда рассеивает тепло в 1010 быстрее, чем обычно посредством генерации фононов внутри золота. И в противоположность более ранним гипотезам передача тепла происходит не благодаря излучению зонда.

Этот результат был получен посредством приложения серии значений напряжения между «горячим» зондом и холодной поверхностью образца. Исследователи записывали ток, проходящий через щель. Поскольку тепловые колебания непосредственно воздействуют на электроны в обоих материалах, значения тока может быть использовано для вычисления температуры острия зонда. «Тот факт, что эта температура почти совпадает с температурой образца, говорит нам, что энергия передается от зонда с необычной скоростью», - говорит Игорь Альтфедер, глава группы.

По мнению исследователей, туннелирование фононов вызывается электрическими полями между двумя объектами. Эти электрические поля, которые возникают благодаря разным рабочим функциям материалов зонда и образца, приводят к тому, что зонд микроскопа и его зеркальный заряд внутри образца колеблются в унисон. Другими словами, электрические поля на острии зонда заставляют электроны в верхнем слое золота колебаться с той же частотой.

На пути к «спиновому компьютеру»

Физики из Калифорнийского Университета сделали важный шаг навстречу создания «спинового компьютера», продемонстрировав туннельную инжекцию спина в графен.

Спиновый компьютер использует для хранения и обработки данных состояния спина электрона. Термин «туннельная инжекция спина»  описывает прохождения тока через изолятор.

«Графен обладает превосходными характеристиками транспорта спина при комнатной температуре, - говорит Роланд Каваками (Roland Kawakami), адъюнкт-профессор, возглавляющий группу исследователей. – Это делает его кандидатом для использования в спиновых компьютерах. Но инжекция спина электрона из ферромагнитного электрода в графен была неэффективной. И что еще хуже, наблюдаемое время жизни спинового состояния оказалось меньше, чем ожидаемое теоретически. Мы ставили перед собой задачу продлить время жизни спинового состояния, поскольку чем больше время жизни, тем больше вычислительных операций можно сделать».

Чтобы решить эту проблему, ученые поместили изоляционный слой нанометровой толщины (туннельный барьер) между ферромагнитным электродом и пленкой графена. Они обнаружили, что эффективность инжекции спина значительно увеличилась. «Мы получили 30-кратное увеличение эффективности при квантовом туннелировании спина в графен через изолятор. Равно интересно и то, что изолятор работал как однонаправленный клапан, позволяя электронам проходить от электрода в графен, но не обратно. Изолятор помогает удерживать инжектированный спин внутри графена, что и обусловливает высокую эффективность метода. Этот интуитивно не очевидный результат является первой демонстрацией туннельной инжекции спина в графен. И это мировой рекорд по ее эффективности».

В процессе эксперимента было сделано неожиданное открытие, объясняющее короткое время жизни спинового состояния электронов в графене, о котором сообщали другие исследователи.

Проф. Каваками объяснил, что время жизни спина обычно исследовалось с помощью эксперимента, известного как измерение Ханле, которое использует ферромагнитный спиновый детектор для наблюдения изменения состояния спина в графене в сильном магнитном поле. Когда группа Каваками поместила туннельный барьер между ферромагнитным спиновым детектором и графеном, время жизни в измерении Ханле увеличилось до 500 пс при типичных значениях 100 пс. Каваками пояснил, что теоретически графен может демонстрировать очень большое время жизни спина, порядка микросекунд, что делает этот материал привлекательным для создания спинового компьютера.

На пути к «спиновому компьютеру»

Поток спин-поляризованных электронов существенно увеличивается при использовании изолятора из окиси магния

Аккумуляторы меньше, чем песчинки

Литий-ионные аккумуляторы широко используются в современной потребительской электронике. Исследования, проводимые DARPA, расширяют пределы этой технологии и нацелены на создание самых тонких аккумуляторов в мире, наибольший из которых не превзойдет размерами песчинку. Эти сверхмалые устройства питания могут в будущем быть использованы в электронике и механических компонентах микро- и наноустройств.

Джейн Чан (Jane Chang), инженер Калифорнийского Университета (Лос-Анджелес), разрабатывает одну компоненту таких аккумуляторов: электролит, который позволяет зарядам перетекать между электродами. «Мы пытаемся достичь такой же плотности мощности, такой же плотности энергии, как и в традиционных литий-ионных аккумуляторах, но мы хотим сделать площадь намного меньше», - говорит Чан.

Джейн Чан покрывает электролитом упорядоченные нанопроволочки, изготовленные, чтобы максимизировать поверхность/объем, и таким образом плотность потенциальной энергии. Используя осаждение атомного слоя – медленного, но точного процесса, позволяющего распылить на поверхности слой материала толщиной в один атом, - она успешно применила твердый электролит алюмосиликата лития для этого наноматериала.

Это исследование все еще находится в ранней стадии: другие компоненты этого трехмерного микроаккумулятора, такие как электроды, также разработаны, но они еще должны быть собраны и объединены для того, чтобы устройство стало функционирующим.

Физики преодолели барьер в области квантовых манипуляций

Поиск путей управления материей на уровне одиночных атомов и электронов привлекает многих ученых, так как возможность манипулировать одиночными зарядами и спинами может помочь исследователям проникнуть глубже в мистический мир квантовой механики и физики твердого тела. Это может также позволить разрабатывать новые высокочувствительные магнитометры, транзисторы с управляемым одиночным спином для когерентной спинтроники и твердотельные устройства для квантовой обработки данных.

Недавно сотрудничество экспериментаторов из Института Кавли при Университете г. Делфт и теоретиков из Лаборатории Эймса Департамента энергетики США привело к успеху в области управления одиночными спинами.

Исследователи разработали и реализовали специальные способ управления одиночным спином примеси атомного масштаба в алмазе. Эти примеси, называемые центрами вакансий азота (NV centers), привлекают внимание благодаря своим необычным магнитным и оптическим свойствам. Но их неустойчивые квантовые состояния легко разрушаются даже при незначительном взаимодействии с окружающим миром.

Применяя специально разработанную последовательность высокоточных электромагнитных импульсов, ученые смогли сохранить квантовое состояние одиночного спина, как бы изолировав его от взаимодействия с внешней средой. Таким способом они в 25 раз увеличили время жизни квантового состояния при комнатной температуре. Это первая демонстрация универсальной динамической изоляции одиночного спина в твердом теле.

«Неуправляемое взаимодействие спина с внешней средой было основной трудностью в реализации квантовых технологий, - сказал руководитель датской экспериментальной группы проф. Рональд Хансон (Ronald Hanson). – Наши результаты демонстрируют, что эта трудность может быть преодолена».

Физики преодолели барьер в области квантовых манипуляций

Кроме важности для фундаментального понимания квантовой механики, достижение исследователей открывает путь к использованию примесных центров в алмазе в качестве высокочувствительных магнитных сенсоров и потенциально в качестве кубитов для квантовой обработки данных.

Успехи в исследовании антиматерии

Физики из CERN существенно продвинулись в изучении антиматерии. Им впервые удалось управлять созданием атомов из антиматерии и захватить их в ловушку, используя магнитные поля.

Хотя были созданы тысячи атомов антиводорода (антипротон + позитрон), захватить удалось только 38. Атомы «прожили» в ловушке 0,17 с, достаточно долго по меркам микромира.

Обычно, когда рождаются частицы антиматерии, они практически мгновенно аннигилируют при контакте с материей. Антиводород был создан в вакууме, но все же имел короткое среднее время жизни.

Изучение антиматерии затрудняется тем, что магнитное поле, которое используется для предотвращения столкновения с материей, слабо взаимодействует с нейтральными антиатомами. Тем не менее определенное взаимодействие антиводорода с сильным магнитным полем существует, если его достаточно сильно охладить. В эксперименте температура достигала 0,5 К.

На следующей стадии эксперимента планируется изучить, как долго атомы антиматерии могут существовать в ловушке и как много их можно создать. Далее планируется перейти к экспериментам с облучением антиматерии лазерами, чтобы определить особенности поглощения света. Согласно так называемой Стандартной модели, поведение материи и антиматерии должно быть одинаковым. Следовательно, антиводород должен поглощать те же длины волн, что и водород.

Квантовый шум как генератор случайных чисел

В классической физике каждая «случайность» на самом деле детерминирована, и, принципиально, по крайне мере, может быть предсказана – «достаточно лишь решить» соответствующую систему уравнений при заданных начальных условиях. Квантовая механика положила конец столь удобному взгляду на мир и склонила коромысло весов в противоположную сторону – детерминизм начали отрицать в принципе. В конце концов пришли к компромиссному решению: эволюция пси-функции во времени детерминирована, однако сама пси-функция является амплитудой вероятности получения того или иного значения динамической переменной, описывающей систему.

Однако в ряде приложений (например, в криптографии) возникала потребность в случайных числах, которая обычно решалась за счет так называемых генераторов случайных чисел. «Степень случайности» полученных таким образом чисел при возможностях современной вычислительной техники очень высока, но все же последовательность, строго говоря, является псевдослучайной.

Исследователи Института физики света им. Макса Планка в Эрлангене (Бавария) сконструировали устройство, генерирующее истинно случайные числа, которые принципиально не могут быть предсказаны. Исследователи использовали тот факт, что результат измерения в квантовой физике может быть предсказан только с определенной вероятностью (включающей также и значение равное 1).

В качестве квантовых костей ученые использовали флуктуации вакуума. Виртуальные частицы (в данном случае речь идет о фотонах) оставляют след в виде квантового шума, возникающего в экспериментах. Чтобы сделать квантовый шум видимым, ученые прибегли к другому трюку из квантовой механики. Они расщепили мощный лазерный луч на два равных пучка с помощью светоделителя. Светоделитель имеет два входа и два выхода. Один из входов был закрыт, чтобы предотвратить попадание туда луча. Тем не менее, вакуумные флуктуации в этом канале оказывали влияние на два выходящих луча. Они были направлены на детекторы, в которых измерялась интенсивность фотонов. Каждый фотон выбивал электрон, и суммарный электрический ток регистрировался детекторами. «Сухой остаток» после вычитания двух кривых и дал квантовый шум. Его интенсивность является абсолютно случайной.

Квантовый шум как генератор случайных чисел

Память на наноленте

Новые ячейки памяти, изготовленные из графеновой наноленты, были продемонстрированы исследователями из Германии, Швейцарии и Италии. Устройство мало, однако имеет очень большую плотность ячеек, намного большую, чем возможно достичь на базе кремниевых чипов.

Наиболее важным свойством чипов памяти является объем – емкость количество данных, которое можно в них разместить. Последние 20 лет плотность ячеек памяти на чипе растет экспоненциально, подчиняясь закону Мура. В свою очередь, плотность прямо зависит от размера ячейки. В этом отношении графен является многообещающим материалом благодаря своим исключительным электронным и механическим свойствам – он позволяет изготавливать устройства размером менее 10 нм.

Роман Сордан (Roman Sordan) из Миланского политехнического института и коллеги из Штутгарта и Лозанны изготовили 10-нанометровые ячейки памяти на базе графеновых нанолент – формы графена, имеющей наименьшие размеры площади. «В самом деле, площадь нашей новой ячейки памяти настолько мала, что обеспечивает очень высокую плотность, - комментирует разработку Сордан. – Таким образом, мы ожидаем, что чипы памяти из графеновой наноленты продлят справедливость закона Мура в обозримом будущем».

Команда изготовила графеновые наноленты путем осаждения нановолокон V2O5 на поверхность графена и последующего травления с помощью пучка ионов аргона. Ионный пучок удалял весь графен, не защищенный нановолокнами. Этот простой метод позволил сформировать графеновые наноленты под слоем нановолокон, которые затем были удалены.

Память на наноленте

Преимущество использования нановолокон в качестве маски при травлении заключается в том, что с помощью этой техники можно сформировать очень узкие наноленты шириной менее 20 нм.

Другим преимуществом использования волокон V2O5 является возможность их легкого удаления после формирования нанолент – они могут быть смыты простой водой.

Ученые также обнаружили, что импульсы напряжения противоположных знаков на затворе могут переключать устройство между двумя состояниями. После переключения устройство остается в новом состоянии даже после сброса напряжения, то есть обладает «памятью». «Этот эффект памяти, вероятно, обязан зарядам, окружающим наноленты, которые захватываются молекулами воды, абсорбированными подложкой SiO2, на которой изготавливались устройства», - объясняет Сордан.

Устройство имеет время перехода, которое на три порядка величины меньше, чем у объявленных ранее устройств памяти на базе графена или углеродных нанотрубок, что позволит использовать высокую тактовую частоту.

Тонкие магниты могут вскоре найти применение в микроэлектронике

Исследователи из Университета Шанси (Китай) объявили о прогрессе в понимании одномолекулярных магнитов, которые сочетают свойства своих макроскопических собратьев с квантовыми свойствами.

Для лучшего понимания внутренней структуры одномолекулярных магнитов Хай-Бинь Сюэ (Hai-Bin Xue) с коллегами изучили статистику движения через них электронов. Понимание этого является важным шагом в разработке новых путей в области хранения и обработки данных, а также квантовых вычислений. Полученные результаты важны и для молекулярной спинтроники.

«Одномолекулярный магнит можно рассматривать как магнитную квантовую точку с более сложной структурой уровней, - говорит соавтор И-Хан Не (Yi-Hang Nie). – Это делает его хорошим кандидатом для молекулярных спинтронных устройств».

В настоящее время отсутствует хорошее понимание, как электроны двигаются через одномолекулярные магниты. Вольт-амперные характеристики такой системы не изучены достаточно хорошо для практических применений. Полученные результаты существенно дополняют более ранние исследования в области магнитных молекул, в которых шумы были изучены недостаточно полно. По заверению ученых, предсказания будут проверены экспериментально в ближайшем будущем.

Лазерное охлаждение молекул – еще один шаг к квантовому компьютеру

Команде физиков из Йельского университета впервые удалось с помощью лазера охладить молекулу, сделав тем самым существенный шаг в использовании молекул в качестве информационных битов в будущих квантовых вычислениях.

Сегодня ученые в качестве кубитов используют либо индивидуальные атомы, либо «искусственные», так называемые квантовые точки. Но индивидуальные атомы не взаимодействуют друг с другом достаточно сильно, как это требуется для кубитов. С другой стороны, искусственные атомы, которые по сути ближе к схемам, сделанным из миллиардов атомов, но ведущим себя подобно одному атому, достаточно сильно взаимодействуют друг с другом. Однако будучи слишком большими, «шумят» из-за воздействия внешней среды. В этой ситуации молекулы являются необходимой золотой серединой.

Для того чтобы использовать молекулы в качестве кубитов, физики должны быть способны управлять и манипулировать ими, что является крайне сложной задачей, поскольку молекулы, как правило, нельзя захватить и перемещать, не возбудив их. Вдобавок, даже при комнатной температуре молекулы имеют большую кинетическую энергию, что приводит к их движению, вращению и колебаниям.

Чтобы преодолеть эту проблему, команда из Йельского университета использовала лазер для охлаждения молекул. Хотя лазеры использовались ранее для охлаждения индивидуальных атомов, такая возможность для молекул была продемонстрирована впервые.

В своем эксперименте физики использовали молекулу монофторида стронция. Помимо квантовых вычислений, лазерное охлаждение молекул имеет потенциальные приложения в химии, где при таких низких температурах могут происходить ненаблюдаемые еще реакции, вызванные квантовым туннельным эффектом. Физики также надеются использовать лазерное охлаждение для изучения элементарных частиц, где точные измерения молекулярной структуры могут дать ключи к обнаружению экзотических и еще не открытых частиц.

«Лазерное охлаждение атомов привело к настоящей научной революции. Оно сегодня используется как в области фундаментальных наук, например для получения конденсата Бозе-Эйнштейна, так и в устройствах обычного мира, таких как атомные часы и навигационные приборы, - говорит руководитель разработки Дэвид ДеМиль (David DeMille). – Расширение этой техники на молекулы обещает открыть новые захватывающие области науки и технологических приложений».

 

Ukraine

 

  •  Home  •  Ринок  •  IТ-директор  •  CloudComputing  •  Hard  •  Soft  •  Мережі  •  Безпека  •  Наука  •  IoT