Фотоны могут использоваться в квантовых компьютерах, однако манипулировать ими весьма затруднительно. Две работы, выполненные в NIST, приблизили возможность создания надежных источников фотонов для квантовых вычислений.

В новых работах решена одна из многих проблем, затрудняющих построение практического квантового компьютера: наличие устройства, которое производит фотоны в нужных количествах, но только по одному за раз и только тогда, когда процессор готов их получать. Так же как и ошибка в передаче данных может привести к нарушению работы обычного компьютера, несущий информацию фотон, поступивший в процессор вместе с другим, или в момент, когда процессор не готов, может привести нарушению вычислений.

Однофотонный источник был труднодоступен в течение почти двух десятилетий, в частности потому, что не существовало идеального метода индивидуального генерирования этих частиц.

Первая работа ученых решила проблему поступления фотона в процессор в нужное время. Много видов однофотонных источников создают пары фотонов и посылают один из них на детектор, который сообщает процессору, что второй, информационный фотон, на пути к нему. Но так как детекторы не абсолютно точны, иногда они «теряют» фотон-вестник, и его двойник «обманывает» процессор.

Команда предложила решить эту проблему с помощью создания простого шлюза в источнике. Когда фотон-вестник попадает в детектор, шлюз открывается, позволяя пройти второму фотону. «Это было очевидное решение, которое давно предлагалось, однако мы были первыми, кто его реализовал», - сказал Ален Мигдал (Alan Migdall) из Дивизиона оптических технологий NIST.

Во второй работе ученые описали источник фотонов, который удовлетворяет двум другим требованиям. Дело в том, что квантовым компьютерам нужны много таких источников, работающих параллельно. Однако для того чтобы компьютер мог обрабатывать каждый из них отдельно, источники должны создавать множество индивидуальных фотонов, но с разными длинами волн. Команда описала способ создания такого источника из кремния. «Обычно только редкий материал может продуцировать пары со специфическими длинами волн, но наша разработка позволяет генерировать фотоны различных длин волн одновременно из одного источника», - сказал Мигдал.

Источник фотонов со шлюзом запускается лазерным лучом с длиной волны 532 нм, который падает на кристалл (зеленое пятно в центре), превращаясь в пары фотонов с длинами волн 810 нм (показанный для ясности синим) и 1550 нм (инфракрасный, но показан красным). «Синий» пучок – канал-вестник, «красный» проходит через оптоволокно для необходимой задержки

Исследования, информация о которых появилась в начале года, показали, как свет может быть использован для управления электрическими свойствами графена, указав путь для оптоэлектронных устройств и высокочувстительных датчиков, основанных на графене.

Интернациональная команда ученых, базирующаяся на Национальной физической лаборатории (NPL) в Соединенном Королевстве, показала, что комбинация графена с определенными полимерами позволяет точно управлять электрическими свойствами полученного материала с помощью света, что может быть использовано в новой генерации оптоэлектронных устройств. Полимер хранит память о свете, и поэтому устройства на графене сохраняют свои модифицированные свойства вплоть до стирания памяти с помощью нагревания.

Модифицированные светом графеновые чипы уже использовались NPL в сверхточных экспериментах по измерению электрического сопротивления.

В будущем подобные полимеры могут использоваться для воздействия на поведение графена. На базе этого эффекта могут быть разработаны надежные датчики дыма, детекторы ядовитых газов или других целевых молекул.

Графен-полимерная светочувствительная гетероструктура

Некоторые молекулы существуют в двух формах, которые зеркально симметричны: они известны как киральные молекулы. На Земле биологические киральные молекулы, в частности, аминокислоты и сахара существуют только в одной форме – либо левовращающие (L), либо правовращающие (D). Почему жизнь первоначально предпочла одну форму другой?

Консорциум нескольких групп французских ученых, возглавляемый старшим исследователем Луи д’Эндекуром (Louis d'Hendecourt) из Института космической астрофизики, впервые получила избыток левовращающих молекул в условиях, которые воспроизводили таковые в межзвездном пространстве. Результаты поддерживают гипотезу, что асимметрия биологических молекул на Земле имеет космическое происхождение.

Киральными называются молекулы, которые существуют в двух формах (энантиомеры), являющихся зеркальными отображениями друг друга (примером киральной симметрии могут служить руки, да и само слово «киральный» произошло от греческого kheir через латинское chiro, что значит «рука»). Биологические молекулы в большинстве своем киральны, при этом одна форма преобладает над другой. Например, аминокислоты, которые состоят из белков, существуют только в левовращающей форме. С другой стороны, сахара, присутствующие в ДНК живых организмов, являются исключительно правовращающими. Это свойство биологических молекул называется гомокиральностью.

Каково же происхождение такой асимметрии в биологических материалах? Имеются две конкурирующие гипотезы. Одна постулирует, что жизнь произошла из смеси, равно содержащей обе формы молекул (рацемическая смесь), и гомокиральность возникла в процессе эволюции. Другая предполагает, что асимметрия, приведшая к гомокиральности, предшествовала возникновению жизни и имела космическое происхождение. Это поддерживалось нахождением избытка L-аминокислот в первичных метеоритах. Согласно этому сценарию, эти аминокислоты были синтезированы не-рацемически в межзвездном пространстве и затем доставлены на Землю кометными гранулами и метеоритами.

Чтобы придать больший вес этой гипотезе, исследователи впервые воспроизвели аналоги межзвездного и кометного льда в лаборатории. Новым аспектом этих экспериментов было облучение льда ультрафиолетовым излучением с круговой поляризацией, что, предположительно, воссоздавало условия, встречающиеся в некоторых областях космического пространства. Когда лед был расплавлен, получился органический осадок. Детальный анализ этой смеси обнаружил, что она содержала значительное превышение киральной аминокислоты – аланина. Этот избыток, который превышал 1,3%, был сравним с измеренным в первичных метеоритах. Это первый сценарий, который объясняет происхождение асимметрии на основе эксперимента, воспроизводящего полностью естественный синтез.

Пучок ультрафиолетового света с круговой поляризацией проходит через газовый фильтр, наполненный ксеноном

Результаты укрепляют гипотезы о том, что происхождение гомокиральности является предбиологическим и космическим. Согласно этому сценарию, доставка внеземного органического материала, содержащего энантиомерический избыток, синтезированный асимметрическим астрофизическим процессом (в данном случае ультрафиолетовым облучением), является причиной асимметрии биологических молекул на Земле.

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