Одним из препятствий в разработке гибкой пластиковой электроники является создание транзистора, который достаточно стабилен в различных средах и обеспечивает необходимый ток для питания устройства.

Исследователи из Технологического института штата Джорджия описали новый метод комбинирования органического полевого транзистора с верхним затвором и двухслойного подзатворного диэлектрика. Это позволяет транзистору работать с необычной стабильностью и в то же время с хорошей производительностью. В добавок, транзистор может производиться массово в обычной атмосфере и при невысокой температуре, совместимой с пластиковыми устройствами.

Команда исследователей использовала существующий полупроводник и изменила диэлектрик затвора. «В отличие от использования одного диэлектрического материала, как это многие делали в прошлом, мы разработали двухслойный подзатворный диэлектрик», - сказал проф. Бернард Киппелен (Bernard Kippelen), директор Центра органической фотоники и электроники.

Двухслойный диэлектрик сделан из фторированного полимера, известного как CYTOP, и слоя окисла металла с высокой диэлектрической постоянной k, созданного с помощью атомного осаждения.

Известно, что CYTOP образует мало дефектов на поверхности раздела с органическим полупроводником, однако у него очень низкая диэлектрическая постоянная, что требует повышения возбуждающего напряжения. Окисел металла с высоким значением k требует низкого напряжения, но он нестабилен из-за высокого количества дефектов на границе.

«Когда мы начали тестировать, результаты получились ошеломляющие. Мы ожидали получить хорошую стабильность, но не ожидали увидеть отсутствие деградации подвижности электронов в течение более года», - сказал проф. Киппелен.

Для проверки стабильности было выполнено множество тестов. Переключение транзистора было произведено 20 тыс. раз, достигалось максимальное значение тока, прибор даже помещался в плазменную камеру на пять минут – во всех случаях деградация не была обнаружена. Правда, после часового пребывания в ацетоне была обнаружена небольшая деградация, но транзистор все же работал.

Транзистор проводит ток и работает при напряжении, сравнимом с аморфным кремнием, современным индустриальным стандартом для стеклянных подложек, но может производиться при температуре ниже 150 С, что соответствует возможностям пластиковых подложек.

Новое самое точное на сегодня измерение времени жизни мюона даст возможность с высокой точностью определить константу связи слабого взаимодействия.

Слабые силы являются одними из четырех фундаментальных сил Природы. Хотя мы и не встречаемся с процессами, обусловленными слабым взаимодействием в нашей повседневной жизни, они все же являются крайне важными. Например, они ответственны за процессы на Солнце. Международная команда, возглавляемая учеными из университетов Иллинойса и Бостона, выполнила эксперимент в Институте Пауля Шеррера (Швейцария), который позволил определить с беспрецедентной точностью константу Ферми, одну из фундаментальных постоянных, необходимую для обсчета процессов в мире элементарных частиц.

Одним из главных достижений в понимании субатомного мира явилось доказательство в 1970-х того, что слабые и электромагнитные силы являются двумя аспектами одного и того же взаимодействия, которое было названо электрослабым. Его сила определяется тремя параметрами, одним из которых является постоянная Ферми.

Новое значение постоянной Ферми G_F было получено из результатов очень точного измерения времени жизни мюона. Мюон – нестабильная элементарная частица, с временем жизни 2,2 мкс. Этот распад обязан только слабым силам, поэтому время жизни мюона относительно просто связано с постоянной взаимодействия – оно обратно пропорционально ее квадрату.

Эксперимент, выполненный на MuLan (Muon Lifetime Analysis), использовал мюоны, полученные на протонном ускорителе в Институте Пауля Шеррера, наиболее мощном источнике мюонов в мире и единственном месте, где такие эксперименты возможны. «Сердцем эксперимента были специальные мишени, которые захватывали группы поступающих положительных мюонов в течение «периода мюонного заполнения», - объяснил Бернхард Лаусс (Bernhard Lauss) из Института Пауля Шеррера. – Пучок затем быстро выключался, оставляя в мишени около 20 мюонов. Каждый мюон затем распадался на позитрон, электронное нейтрино и мюонное антинейтрино. Позитроны обнаруживались с помощью массива сферической формы из 170 детекторов, который окружал мишень». Роберт Кэри (Robert Carey) из Бостонского университета добавил: «Мы повторили эту процедуру для 100 миллиардов мюонных заполнений, аккумулирующих триллионы индивидуальных распадов, которые, в свою очередь, потребовали хранения более чем 100 ТБ данных для последующего анализа на суперкомпьютерном кластере в Национальном центре для супервычислений в Иллинойсе». Полученное среднее время жизни мюона составило 2,1969803 ± 0,0000022 мкс.

Бернхард Лаусс с массивом детекторов, испольуемых для определения времени жизни мюона

Команда физиков из Городского университета Гонконга и китайского Университета науки и технологии продвинулась вперед в разработке полезных спинтронных устройств на базе графена.

«К спинтронным устройствам проявляется большой интерес, поскольку они обещают лучшую по сравнению с традиционной электроникой производительность и, вероятно, заменят ее в один прекрасный день, - сказал Квок Сум Чань (Kwok Sum Chan), проф. физики из Гонконга. – Графен является важным материалом для спинтронных устройств, потому что спин его электронов может сохранять направление длительное время, что предотвращает потерю данных».

Однако спиновый ток, который является основным носителем данных в графеновых спинтронных устройствах, генерировать трудно. Проф. Чань с коллегами приблизился к решению этой проблемы. Метод включает снятие спинового вырождения в монослое графена, создаваемое эффектом близости ферромагнетика и адиабатическим процессом (медленным по сравнению со скоростью электронов в устройстве) квантовой накачки.

Близость ферромагнетика расщепляла энергетические уровни электронов с разнонаправленными спинами. При адиабатической накачке постоянный электрический ток создавался двумя потенциалами переменного тока и не требовал приложения постоянного потенциала. Эта рутинная техника обычно используется в полупроводниках для генерирования спинового тока, но никогда раньше не применялась для графена.

Ученые могли управлять степенью поляризации спинового тока посредством изменения энергии уровня Ферми (химического потенциала), что очень важно для применения в различных приложениях.

Метод использует тонкие ферромагнитные пленки, осажденные на графене, и два металлических электрода, что может найти применение в наномерных спинтронных устройствах.

Если ОС скомпрометирована, то атакующий может получить управление компьютером или привести его к краху. Теперь исследователи из Университета Северной Каролины (NCSU) разработали эффективную систему, которая использует аппаратные и программные средства для восстановления ОС при атаке на нее.

Предметом является атака, при которой компрометируется одно приложение (такое, как веб-браузер), и затем это приложение используется для получения доступа к ОС. Например, скомпрометированное приложение может направить «системный вызов» ОС, запрашивая выполнение специфической функции. Однако взамен стандартной операции атакующий использует системный вызов для попытки получить управление.

«Наша цель – обеспечить ОС способностью противостоять таким атакам, - сказал д-р Ян Солихин (Yan Solihin), адъюнкт-профессор вычислительной техники. – Наш подход содержит три компоненты: обнаружение атаки, изоляция уязвимости и восстановление».

Концепция заключается в том, чтобы сделать моментальный снимок ОС в стратегических временных точках (таких, как системные вызовы или прерывания), когда она функционирует нормально, и затем, если ОС атакована, удалить все, что было сделано, начиная с последнего «хорошего» снимка, т. е. эффективно - откатить назад в состояние перед атакой. Механизм также позволяет ОС идентифицировать источник атаки и изолировать его, так что ОС больше не будет уязвима со стороны этого приложения.

Идея выявления атаки и отката системы к безопасному состоянию является хорошо известной техникой для восстановления нормальных функций системы после сбоя, но впервые исследователи разработали систему, которая также инкорпорирует компоненту изоляции уязвимости. Эта критическая компонента предотвращает ОС от повторения той же атаки.

Концепция получения моментальных снимков ОС и использования их для ее восстановления после атаки считалась раньше непрактичной, так как значительно снижала производительность компьютера. «Но мы разработали аппаратную поддержку, которая позволяет ОС использовать эти компоненты выживаемости более эффективно, так что восстановление занимает меньше времени и энергии», - сказал д-р Солихин. Исследователи говорят, что выживаемость системы обеспечивается за счет всего 5% дополнительной нагрузки на ОС.

Окись кремния, широко используемая в качестве изолятора в компьютерных чипах и долгое время рассматриваемая как «пассивный наблюдатель», в действительности может работать подобно переключателю. Это позволяет задействовать ее в схемах питания мобильных телефонов, компьютеров и тысяч других устройств.

Раньше поведение окиси кремния сбивало с толку ученых, работающих в области наноэлектроники, – они думали, что переключение осуществлялось благодаря нанодобавкам, но оказалось, что переключения могут происходить из-за окиси кремния.

Цзюнь Яо (Jun Yao), Дуглас Нателсон (Douglas Natelson), Линь Джун (Lin Zhong) и Джеймс Тур (James Tour) объяснили, что производители долго использовали окись кремния, обычно очень плохого проводника, как поддерживающего и изолирующего материала в электронике. Кремний, компонент пляжного песка, служит основным полупроводником в современной электронике. В соединении с кислородом он является одним из самых высококачественных изоляторов. Ученые недавно показали, однако, что окислы могут превращаться в переключаемые проводники под воздействием электрических процессов. Это явление может послужить ключом к разработке нового поколения более мощных и меньших по размерам компьютерных чипов, но механизм, лежащий в основе этих переключений вплоть до недавнего времени был неясен.

Ученые поместили нанометровый слой окиси кремния между двумя электродами и пропускали через него электрический ток, увеличивая его силу. Они продемонстрировали, что ток может вызвать разрушение окиси кремния на нанокристаллы кремния, что усиливает его электропроводность и делает возможным компонентом в активных процессах компьютерных чипов.

Светодиоды получают все большее распространение для энергоэффективного освещения. Исследователи из Университета Северной Каролины (NCSU) разработали новую технику, которая уменьшает дефекты в пленках нитрида галлия (GaN), используемых для создания светодиодов, что делает их более эффективными.

Тонкая пленка GaN используется в светодиодах, чтобы создать диодную структуру, излучающую свет. Новая техника снижает количество дефектов в этих пленках на два-три порядка. «Это улучшает качество материала, который излучает свет, - сказал д-р Салах Бедаир (Salah Bedair), профессор вычислительной техники NCSU. – Таким образом, для данной мощности выход света может быть увеличен в два раза, что является очень большим коэффициентом».

Исследователи начали эксперимент с пленки толщиной 2 мкм и образовали в слое половинной толщины большие поры – пустоты длиной 1—2 мкм и диаметром 0,25 мкм. Они обнаружили, что дефекты в пленке захватывались порами, уменьшая количество дефектов в части пленки выше пор.

Дефекты – это небольшие нарушения правильности кристаллической структуры, которые пронизывают материал, пока не достигают поверхности. Поместив поры в пленке, ученые эффективно разместили «поверхность» в ее середине, предотвратив перемещение дефектов через остаток пленки.

«Без пор пленка GaN имела приблизительно 10¹⁰ дефектов на 1 см², - сказал д-р Бедаир. – С порами их количество уменьшилось на три порядка. Эта техника добавит дополнительный шаг в производственном процессе светодиодов, но в результате даст более высокое качество и большую эффективность».

Исследователи разрабатывают новый класс «плазмонных метаматериалов», которые потенциально могут стать строительными блоками передовых оптических технологий, включая сверхмощные микроскопы и компьютеры, солнечные элементы и маскировку типа шапки-невидимки.

«Новые материалы могут сделать реальными «нанофотонные» устройства для многочисленных приложений», - сказала Александра Болтасева, адъюнкт-профессор вычислительной техники.

В отличие от природных материалов, метаматериалы могут иметь коэффициент преломления меньше 1 и даже 0. Материалы с таким коэффициентом преломления могут найти применение в трансформационной оптике. Однако развитию новых технологий на базе метаматериалов препятствуют два ограничения: слишком много света поглощается такими металлами, как серебро и золото, содержащимися в метаматериалах, и для того чтобы материалы имели нужный коэффициент преломления, они нуждаются в очень точной композиции.

Для преодоления этих трудностей исследователи предлагают новый подход. Они работают над тем, чтобы заменить серебро и золото в создаваемых материалах, используя два метода: делая полупроводник более металлическим путем добавления к нему примесей металла или делая металл менее металлическим, добавляя к нему неметаллические примеси. Примеры таких материалов включают окислы алюминия и нитрид титана, которые выглядят подобно золоту и используются для покрытия православных церквей.

Исследователи протестировали некоторые новые материалы и обнаружили, что их оптические свойства превосходят серебро и золото. Плазмонные метаматериалы имеют большой потенциал для перспективных применений, включая «гиперлинзы», которые позволят оптическим микроскопам увеличить в 10 раз свою разрешающую способность и видеть такие объекты, как ДНК; более чувствительные датчики; новые типы солнечных батарей; компьютеры и потребительскую электронику, которые используют свет для обработки данных, и маскировку.

Некоторые из новых материалов хорошо подходят для использования в ближней части инфракрасного света, важной для телекоммуникаций и волоконной оптики, другие могут применяться в области видимого света. Их можно «настроить» таким образом, что их коэффициент преломления будет идеально подходить для определенной части спектра.

Будущие фотонные технологии будут нацелены на новые типы оптических транзисторов, коммутаторов и процессоров. Они позволят выполнять обработку параллельных потоков данных, что приведет к более быстрым сетям и компьютерам

Исследователи из Оксфордского университета сообщили, что несверхпроводящий материал превратился в сверхпроводник под действием света.

Команда из Оксфорда, Германии и Японии наблюдали убедительные подтверждения сверхпроводимости после облучения материала мощным лучом лазера.

«Мы использовали свет, чтобы превратить нормальный изолятор в сверхпроводник, - сказал проф. Андреа Кавалери (Andrea Cavalleri) из департамента физики Оксфордского университета и департамента структурной динамики Института Макса Планка в Гамбурге. – Это уже чрезвычайно интересная информация об этом классе материалов. Вопрос в том, сможем ли мы сделать материал сверхпроводящим при более высокой температуре?»

Материал, который использовали исследователи, близок к сверхпроводнику окись меди, но его атомная структура препятствует протеканию электрического тока.

В журнале Science они описали, каким образом был использован сильный импульс инфракрасного света для нарушения локализации некоторых атомов материала. Состав, находящийся при температуре 20 С выше абсолютного нуля, почти мгновенно становился полупроводником на пикосекунды (10^-12), прежде чем перейти обратно в нормальное состояние.

Это достижение открывает путь к хорошо контролируемым опытам по возникновению сверхпроводимости в этом классе материалов, являющемуся загадкой с момента открытия высокотемпературной сверхпроводимости в 1986 г.

Проф. Андреа Кавалери использует лазерный луч для преобразования материала в сверхпроводник

Новое научное открытие может оказать глубокое влияние на наноэлектронные компоненты. Исследователи из Института Нильса Бора и Университета Копенгагена в сотрудничестве с японскими коллегами показали, как электроны на тонких трубках графита обнаруживают уникальное взаимодействие между своим движением и спином. Исследование прокладывает путь для беспрецедентного управления спинами электронов и может иметь большое влияние на приложения в области спинтроники.

Углерод - удивительно многогранный элемент. Он является базовым строительным блоком в живых организмах, одним из наиболее прекрасных и самым твердым материалом в форме алмазов и служит стержнем в карандашах. Графит в форме атомного слоя, графена, обладает также большим потенциалом для использования в компонентах компьютеров будущего.

В плоском графитовом слое движение электронов не воздействует на их спины, и их ориентация является случайной. В результате графит не был очевидным кандидатом для использования в спинтронике. Однако, как объясняют Томас Санд Ясперсен (Thomas Sand Jespersen) и Каспер Грове-Расмуссен (Kasper Grove-Rasmussen) из Института Бора, результаты исследований показали, что если графитовый слой изогнуть в трубку диаметром несколько нанометров, спин индивидуальных электронов вдруг начинает сильно влиять на их движение. Если заставить электроны двигаться по простым окружностям вокруг нанотрубки, то в результате все спины повернутся по направлению нанотрубки.

Ранее предполагалось, что этот феномен имеет место только для единственного электрона на безукоризненной углеродной трубке, свободно парящей в вакууме, - ситуация, которую очень трудно реализовать. Полученные результаты показывают, что выравнивание ориентаций имеет место в общем случае с произвольным числом электронов на углеродных трубках с дефектами и примесями, которые всегда присутствуют в реальных компонентах.

Взаимодействие между движением и спином измерялось посредством пропускания тока через нанотрубку, при этом количеством электронов можно было управлять индивидуально. Было показано, что, выбирая количество электронов, силой взаимодействия можно управлять и даже полностью ее исключать. Это открывает целый ряд новых возможностей управления и использования спина.

В других материалах, например, в золоте, движение электронов также сильно взаимодействует с направлением спина, но поскольку движение не является равномерным, спином электронов управлять нельзя. Углерод отличается от других материалов уникальным свойством, которое может оказаться важным для будущей наноэлектроники.

Исследователи из Университета Северной Каролины (NCSU) разработали новое устройство, которое может значительно усовершенствовать компьютерную память, делая крупномасштабные серверные фермы более энергоэффективными и позволяя компьютерам быстрее стартовать.

Напомним, что существует энергонезависимая, но медленная память, и энергозависимая, быстрая память, в частности DRAM. Теперь команда исследователей из NCSU разработало единое устройство, которое может совмещать оба свойства и служить как энергозависимой, так и энергонезависимой памятью.

«Мы изобрели новое устройство, которое может произвести революцию в компьютерной памяти, - сказал д-р Поль Францон (Paul Franzon). – Наше устройство называется полевой транзистор с двойным плавающим затвором. Существующая энергонезависимая память, применяемая в устройствах хранения данных, использует один плавающий затвор, заряд которого определяет значения бита. При наличии двух плавающих затворов, устройство может хранить бит в энергонезависимом режиме и/или в «быстром», энергозависимом, как и DRAM в компьютерах».

Полевые транзисторы с двойным плавающим затвором могли бы решить множество существующих проблем. Например, они могли бы позволить мгновенный старт компьютеров, исключив необходимость считывать необходимые данные с жестких дисков, поскольку они могли бы храниться в основной памяти компьютера.

Новое устройство могло бы также позволить потреблять энергию в зависимости от объема вычислений. К примеру, фермы веб-серверов, подобные тем, что использует Google, потребляют огромное количество энергии даже при низкой активности пользователей, в частности, потому, что фермы не могут отключить питание без воздействия на основную память серверов.

«Использование полевых транзисторов с двойным плавающим затвором способствовало бы сбережению энергию в этом случае, поскольку данные могли бы быстро сохраняться и восстанавливаться из энергонезависимой памяти, - сказал д-р Франзон. – Это позволило бы отключить часть серверной памяти в период низкой активности без снижения производительности».