Китайские физики показали, что магнитную память, логические вентили и сенсорные датчики могут быть сделаны более быстрыми и энергоэффективными, используя электрическое поле для переключения намагниченности чувствительного слоя только наполовину (на 90°), а не полностью в противоположное направление.

Магнитная память с произвольным доступом (MRAM) уже давно является предметом пристального исследования как возможная замена части жестких дисков, флеш-памяти и даже компьютерных схем. Результаты предыдущих разработок, однако, были слишком энергоемкими или дорогими, чтобы выдержать конкуренцию.

«Наши новые ячейки можно с успехом использовать в качестве элементов для хранения данных и логических шлюзов, поскольку они являются быстрыми, энергонезависимыми и потребляют мало энергии», - сказал д-р Се-Вень Нань (Ce-Wen Nan) из Университета Цинхуа в Пекине. Новая ячейка проще в изготовлении - необходимы только два слоя по сравнению с тремя для традиционной MRAM.

Конструкция ячейки представляет собой простой тонкослойный сэндвич из двух разных материалов, каждый из которых имеет очень различные магнитные и электрические свойства. Приложение напряжения к сегнетоэлектрическому слою переключает его поляризацию таким способом, что начинает изменяться ориентация магнитного поля в прилегающем ферромагнитном слое. Это в свою очередь изменяет электрическое сопротивление всего стека на величину, достаточную для определения «нуля» или «единицы».

Дальнейшие исследования преследуют цель более глубокого понимания явления и оптимизации материалов для увеличения изменений сопротивления, что улучшит коммерческие характеристики разработки.

Исследователи создали тончайший лазер с момента его изобретения, что прокладывает путь для множества инноваций, включая сверхбыстрые компьютеры, использующие свет вместо электронов для обработки данных, более совершенные датчики и устройства отображения.

"Поскольку новое устройство, названное «спайзер» (spaser), является первым такого рода, излучающим видимый свет, оно явится важным компонентом для возможных будущих технологий, базирующихся на нанофотонных схемах", – сказал Владимир Шалаев, профессор Университета Пердью.

Для таких схем будут необходимы лазерные источники света, но современные лазеры не могут быть сделаны достаточно малыми, чтобы встраиваться в электронный чип. Теперь исследователи преодолели это препятствие, используя облако электронов, называемых поверхностными плазмонами.

Нанофотоника может дать множество радикальных улучшений, включая мощные «сверхлинзы», которые улучшат возможности датчиков и микроскопов на порядок по сравнению с сегодняшними, компьютеров и потребительской электроники, которые будут использовать свет вместо электронных сигналов для обработки данных, сделают более эффективными солнечные коллекторы.

«Мы продемонстрировали возможность изготовления наиболее критичного компонента – нанолазера – существенного для того, чтобы нанофотоника стала практической технологией», - сказал проф. Шалаев.

Спайзер-базированные нанолазеры, созданные в рамках исследования, представляют сферы диаметром 44 нм. Результаты подтвердили работу физиков Дэвида Бергмана (David Bergman) из Тель-авивского университета и Марка Штокмана (Mark Stockman) из Университета штата Джорджия, которые первыми предложили концепцию спайзера в 2003 г.

Спайзеры содержат ядро из золота, окруженное стеклоподобной оболочкой, заполненной зеленым красителем. Когда свет падал на сферы, плазмоны, сгенерированные золотым ядром, усиливались красителем. Затем плазмоны конвертировались в фотоны видимого света, который излучался как лазерный луч.

Spaser является аббревиатурой от Surface Plasmon Amplification by Stimulated Emission of Radiation. Что действовать подобно лазеру, эти устройства требуют «систему обратной связи», которая вызывает колебания поверхностных плазмонов и излучение ими света. Традиционные лазеры имеют ограничения по уменьшению размеров, потому что оптический резонатор не может быть меньше половины длины волны излучаемого света.

Исследователи преодолели это ограничение, используя поверхностные плазмоны вместо фотонов, что позволило им создать резонатор величиной 44 нм, что меньше 1/10 длины волны 530 нм излучаемого света.

Будущие исследования должны включать создание спайзер-базированного нанолазера, который использует электрическую накачку взамен световой, что сделает его более практичным для использования в компьютерах и других электронных устройствах.

Команда ученых из Университета Рутгерса обнаружила материал, в котором электрическое поле может управлять его магнитными свойствами. Если магнитоэлектрический эффект, открытый группой, может быть распространен на более высокие температуры, это может оказаться полезным для манипуляции магнитными битами в сверхвысокоплотных СХД.

Исследователи обнаружили эффект, изучая магнитные свойства манганита, содержащего окисел магния, европий и иттрий. При низких температурах (от 7 до 20 К) и в сильных магнитных полях небольшое изменение электрических полей вызывают большие изменения в магнитных свойствах минерала. Магнитоэлектрический эффект может привести к созданию сравнительно недорогих жестких дисков высокой емкости, которые стали возможны с открытием гигантского магниторезистивного эффекта.

В отличие от устройств на базе гигантской магниторезистивности, которые требуют магнитных полей для управления электрическим сопротивлением, магнитоэлектрические устройства могут управляться меньшими по размеру и более простыми электрическими головками чтения/записи. Замена магнитных компонентов электрическими может потенциально привести к устройствам с более плотной записью, чем современные терабайтовые диски. Правда, для выхода технологии на коммерческий уровень необходимы материалы, которые демонстрируют подобный эффект при намного более высоких температурах, но открытие само по себе вселяет надежду.

Вертикальный массив «одномерных» трубчатых суперструктур в комбинации с двумерными графеновыми листами может быть использован для создания нового типа СИД с хорошими оптическими и электронными свойствами. Устройство, разработанное командой ученых из США и Южной Кореи, показывает также, что графен является идеальным прозрачным проводником.

Вертикальные массивы полупроводниковых нанопроволок и наностержней имеют уникальные оптические, электрические и механические свойства благодаря своей «одномерной» природе и могут использоваться для создания будущих оптоэлектронных и электронных устройств. Например, при размещении на куске пластика такой массив может образовывать механически гибкие устройства, которые невозможно сделать, используя традиционные полупроводниковые технологии.

Однако исследователи должны разработать способ изготавливать контактные электроды для соединения нанопроволок или наностержней. Команда, возглавляемая Джоном Роджерсом (John Rogers) из Иллинойского Университета, и коллеги из Сеула показали, что двумерные листы графена, размещенные на вершине массива наностержней могут решить проблему. Исследователи продемонстрировали это, изготовив СИД, который использует массивы наностержней из арсенида галлия и листы графена в качестве прозрачных электродов.

Графеновые листы обещают альтернативу традиционному материалу для прозрачных электродов, подобному окислу олова индия, для применений в дисплеях, осветительных устройствах и солнечных батареях благодаря замечательным электрическим и механическим свойствам графена. Теперь ученые могут получать листы графена достаточного размера и переносить их прямо на произвольную подложку для изготовления устройств. «Мы впервые расширили эту концепцию на приложения, требующие трехмерного покрытия, то есть натянули поверх верхушек массива наностержней», - сказал Джон Роджерс.

Базированные на графене наностержневые СИД являются гибридными системами, которые комбинируют механически прочный углеродный материал, подобный графену, с высокопроизводительным неорганическим, таким как GaAs, предоставляя в результате лучшие свойства каждого. Конструкция массива эффективно снимает напряжение в материале при изгибании в конечных устройствах и таким образом увеличивает количество света, которое может быть получено. Более того, графен обладает исключительными электро- и теплопроводностью, а также механической гибкостью, свойствами, которые могут оказаться полезными для эффективной инжекции носителей заряда, рассеяния тепла и гибкости конечных устройств.

«Эти необычные СИД могут быть обещающей альтернативой планарной архитектуре при необходимости обеспечить гибкость, - объяснил Джон Роджерс. – Более общо, мы думаем, что идея натянутого листа графена в качестве надежных прозрачных электродов может представить новую стратегию для электрических соединений во многих областях электроники, оптоэлектроники, MEMS и фотоэлектричества».

Изящный дизайн и легкость использования – вот две основных характеристики, которые притягивают потребителей к планшетным ПК и электронным книжкам. И эти устройства вскоре могут стать еще лучше в результате прогресса в технологии дисплеев.

Некоторые продукты этого класса, присутствующие на рынке сегодня, используют электрофоретический дисплей, в котором каждый пиксел состоит из микроскопических капсул, которые содержат черные и белые частицы, движущиеся в противоположных направлениях под действием электрического поля. Серьезный недостаток этой технологии заключается в том, что изображение ближе к черно-серому, чем к черно-белому. Также медленная скорость переключения (~ 1 с), обусловленная недостаточной скоростью движения частиц, не позволяет снабдить устройства другими желательными функциями: сенсорным управлением, анимацией и видео.

Исследователи из лаборатории наноэлектроники Университета Цинциннати (штат Огайо) активно работают над альтернативным подходом для малопотребляющих дисплеев. «Наш подход базируется на концепции вертикально сложенных листов с управляемым электричеством смачиваемостью, - объясняет проф. Эндрю Стекл (Andrew J. Steckl), директор нанолаборатории. – Электрическое поле управляет свойствами смачиваемости на поверхности из флюорополимера, в результате чего происходит быстрая манипуляция жидкостью в микроскопических масштабах. Электросмачиваемые дисплеи могут работать как отражающем, так и в пропускающем режимах, что расширяет возможности для их использования. И теперь улучшение гидрофобного изолирующего материала и рабочих жидкостей позволяют таким дисплеям работать при низком напряжении (~ 15 В)».

Проф. Стекл и д-р Хань Ю (Han You) продемонстрировали, что вертикально сложенные электросмачиваемые структуры могут использоваться в многоцветных устройствах на базе электронной бумаги, обладая при этом потенциалом для более высокого разрешения, чем при обычном расположении пикселей бок о бок. Более того, это устройство имеет скорость переключения, позволяющую демонстрировать видеоконтент.

Это прототип устройства с многоцветным электоросмачиваемым дисплеем. Массив ~ 1000—2000 пикселей размером 200 х 600 и 300 х 900 мкм

Объединенная команда ученых из Гарвардского университета и Университета Лидса продемонстрировали новый терагерцевый полупроводниковый лазер, который излучает с намного меньшим расхождением, чем традиционные лазеры на такой частоте. Это открывает дверь широкому кругу приложений.

Терагерцевые лучи (Т-лучи) могут эффективно проникать через бумагу, одежду, пластик и многие другие материалы, что делает их идеальными для обнаружения спрятанного оружия, биоагентов, получения изображения опухолей без вредных эффектов, обнаружения внутренних дефектов в изделиях.

«К сожалению, существующие терагерцевые полупроводниковые лазеры не подходят для многих из этих приложений, потому что их лучи широко расходятся, - говорит один из руководителей исследования Федерико Капассо (Federico Capasso) из Гарварда. – С помощью искусственной оптической структуры на грани лазера нам удалось сгенерировать высоко коллимированные лучи. Это привело к эффективному сбору и высокой концентрации энергии без необходимости использовать дорогие и массивные линзы».

Чтобы преодолеть существующие ограничения, исследователи нанесли массив нарезов субволновой ширины, «отделанный» метаматериалом, прямо на грани квантового каскадного лазера. Устройство излучало частоту 3 ТГц (длина волны 100 мкм) в невидимой части спектра, известной как дальняя инфракрасная.

Использование искусственных метаматериалов, которых может не существовать в природе, явилось решающим в данном исследовании. Правда, метаматериалы в полупроводниковых устройствах не могут работать долго.

«В нашем случае метаматериалы исполняли двойную функцию: сильно ограничивали терагерцевый луч, попадающий на грань лазера, и коллимировали пучок, - объясняет Наньфан Ю (Nanfang Yu) из Гарварда. – Способность метаматериалов сильно ограничивать терагерцевые волны делает возможным эффективно манипулировать ими для ряда приложений».

Рисунок из метаматериалов прямо выгравирован на грани устройства с высокой примесью арсенида галлия. Искусственное раскрашивание в картине указывает глубину и поверхность микронных канавок, которые выполняют разные функции.

Команда физиков из Гарварда, возглавляемая Михаилом Лукиным, впервые реализовала зацепление фотона с твердотельными материалами. Работа представляет важный шаг навстречу практическим квантовым сетям в качестве первой экспериментальной демонстрации средств, с помощью которых твердотельные квантовые биты (кубиты) могут устанавливать связь друг с другом на больших расстояниях.

Приложения квантовых сетей, такие как дистанционная связь и распределенные вычисления требуют, чтобы узлы, которые обрабатывают и хранят квантовые данные в кубитах, были связаны друг с другом с помощью зацепления, квантовомеханического эффекта, когда провзаимодействовавшие атомы «помнят» состояния друг друга даже находясь на больших расстояниях.

«В квантовых вычислениях и коммуникациях существует проблема, как на самом деле связать кубиты, находящиеся на больших расстояниях, - говорит проф. Лукин. – Демонстрация квантового зацепления между твердотельным материалом и фотонами является важным шагом навстречу связи кубитов в квантовой сети».

Ранее зацепление было продемонстрировано только между фотонами,  индивидуальными ионами или атомами. Новый результат построен на более ранней работе группы Лукина, в которой для создания кубита в алмазе использовался один атом в качестве примеси. Группа ранее показала, что эти примеси отлично подходят для создания квантовой памяти.

Теперь проф. Лукин с соавторами говорят, что эти примеси замечательны и тем, что если их возбудить последовательностью тонко настроенных микроволн и лазерными импульсами, то они могут излучать фотоны каждый раз по одному, так что фотоны оказываются зацепленными с квантовой памятью. Такой поток единичных фотонов может быть использован для безопасной передачи информации.

«Так как фотоны являются самыми быстрыми носителями информации, а память, базирующаяся на спинах, может надежно сохранять квантовую информацию относительно долго, зацепленные спин-фотонные пары являются идеальными для реализации квантовых сетей, - говорит Лукин. – Такая сеть, квантовый аналог обычной, могла бы позволить абсолютно безопасно устанавливать связь на большие расстояния».

Исследователи преодолели фундаментальное препятствие в использовании новых метаматериалов в оптических технологиях, включающих сверхмощные микроскопы и компьютеры, а также в создании «шапки-невидимки».

Метаматериалы страдают одним существенным недостатком: они слишком сильно поглощают свет содержащимися в них металлами, такими как серебро и золото, что делает их непрактичными для оптических устройств.

Однако команда из Университета Пердью решила эту сложную проблему, завершив трехлетнее исследование. «Это открытие является фундаментальным для всей области метаматериалов, - сказал проф. Владимир Шалаев. – Мы показали, что, в принципе, вполне реально снизить потери и использовать эти материалы для многих приложений».

Материал, разработанный учеными, сделан из пленки, напоминающей рыбацкую сеть и содержащей отверстия порядка 100 нм в диаметре, с повторяющимися слоями серебра и окисла алюминия. Исследователи вытравили часть окисла алюминия между слоями серебра и заменили его «усиливающей средой», сформированной из красителя, который может усиливать свет.

Другие исследователи применяли усиливающие среды на поверхности сетчатой пленки, но такой подход не обеспечивал достаточного усиления.

Вместо этого команда из Пердью нашла способ поместить краситель между двумя слоями серебра сетчатой пленки, где «локальное поле» света намного сильнее, чем на поверхности пленки, что привело к 50-кратному повышению эффективности усиливающей среды.

Такой подход был впервые развит бывшим докторантом Пердью Hsiao-Kuan Yuan (теперь сотрудником Intel) и был развит и применен докторантом Shumin Xiao.

Интерес к метаматериалам снизился из-за сильного поглощения ими света. Однако новый подход может значительно уменьшить степень поглощения, что может привести к активизации исследований в этой области.

На иллюстрации показана структура нового устройства с низким поглощением света, которое может открыть дверь в область оптических технологий, включая сверхмощные микроскопы и компьютеры, а также «шапки-невидимки». 

Важную роль при разработке квантовых компьютеров играет сильная связь между квантовым битом и фотоном. Проф. Рудольф Гросс (Rudolf Gross) из Мюнхенского технического университета (TUM) вместе с коллегами получил очень сильное взаимодействие между светом и материей, что может представлять первый шаг в этом направлении.

Взаимодействие света с материей представляет один из наиболее фундаментальных процессов в физике, а понимание взаимодействия между фотонами и атомами является решающим для разработки квантового компьютера.

Физики из TUM, Института низких температур им. Вальтера Мейсснера при Академии наук Баварии (WMI) и Университета Аугсбурга совместно с партнерами из Испании реализовали сверхсильное взаимодействие между микроволновыми фотонами и атомами в наноструктурной схеме. Полученное взаимодействие было в 10 раз сильнее, чем наблюдалось ранее для подобных систем.

Простейшей системой для исследования взаимодействия между светом и материей служит так называемый объемный резонатор, внутри которого имеется точно один фотон и точно один атом. Но так как взаимодействие было очень слабым, эти эксперименты были очень сложными. Намного более сильное взаимодействие можно получить с наноструктурной схемой, в которой металлы, подобные алюминию, становятся сверхпроводниками при низких температурах. При правильной конфигурации миллиарды атомов в сверхпроводнике толщиной нанометры ведут себя подобно одному искусственному атому и подчиняются законам квантовой механики. В простейшем случае получается система с двумя уровнями энергии, т.е. кубит.

Чтобы осуществить измерения проф. Гросс и его коллеги захватили фотон в резонатор. Он содержал полоску сверхпроводящего ниобия со встроенными на обоих концах «зеркалами», сильно отражающими микроволны. В этом резонаторе искусственный атом, сделанный из алюминиевой цепи, позиционируется таким образом, чтобы его взаимодействие с фотоном было максимальным. Исследователи получили сверхсильное взаимодействие, добавив в цепь другой сверхпроводящий компонент – переход Джозефсона.

Изображение сверхпроводящей цепи под электронным микроскопом (красный: алюминиевый кубит; серый: ниобиевый резонатор; зеленый: кремниевая подложка)

Компании, исследующие тенденции, стремящиеся к эффективности и другим конкурентным преимуществам, все чаще обращаются к сортировкам больших массивов данных, которые требуют вычислительных ресурсов масштаба центров данных. Интернет также создает много сценариев, в которых сортировка данных является критической. Реклама на страницах Facebook, рекомендации пользователям на Amazon и секундные результаты поиска в Google являются результатом сортировки данных объемом несколько петабайт.

Ученые в области информатики из Калифорнийского университета (UC) в Сан-Диего преодолели терабайтный барьер и установили мировой рекорд, выполнив сортировку более 1 ТБ данных за 60 с. Попутно во время соревнований «Sort Bebchmark» на Кубке мира по сортировке данных они также установили мировой рекорд по скорости сортировки в минуту на 100 ТБ данных, выполнив сортировку одного триллиона записей за 172 мин и использовав при этом только четвертую часть вычислительных ресурсов предыдущих обладателей рекорда.

«Ведущие корпорации хотят обрабатывать запросы по всем их страницам на экранах или проданным продуктам, что может требовать сортировки многопетабайтных наборов данных, которые увеличиваются на много гигабайтов в день, - сказал проф. Амин Вахдат (Amin Vahdat) из UC, руководитель проекта. – Компании постоянно отодвигают предел, как много данных и как быстро они могут сортировать». Однако все это требует лучших технологий сортировки. В центрах данных сортировка мешает эффективно выполняться более высокоуровневым программам.

Мировые рекорды были установлены в категориях Indy Minute Sort и Indy Gray Sort. В Indy Minute Sort исследователи за одну минуту отсортировали 1,014 ТБ данных, впервые преодолев терабайтный барьер. Команда также установила мировой рекорд для теста Indy Gray Sort, который измеряет скорость сортировки в минуту на 100 ТБ данных.

Оба мировых рекорда установлены в категории Indy, означающей, что системы были сконфигурированы специально для теста Sort Benchmark. Команда собирается обобщить свои результаты для теста Daytona и для использования в реальных условиях.

Проблемы, возникающие при сортировке небольшого объема данных, с которой встречается обычный пользователь при, к примеру, сравнении двух таблиц в коробочной базе данных, и сортировке терабайтных и петабайтных объемов, когда необходимая память намного превышает имеющуюся в компьютере, радикально отличаются. В последнем случае системы для сортировки должны быть высокопроизводительными и в то же время сбалансированными. В сбалансированных системах компьютерные ресурсы, такие как память, система хранения и полоса пропускания сети должны быть использоваться в максимально возможной степени.

Чтобы преодолеть терабайтный барьер для Indy Minute Sort, ученые построили систему, содержащую 52 узла. В качестве узлов служили обычные серверы на базе двух четырехъядерных процессоров Xeon E5520, 24 ГБ памяти и 16 дисков по 500 ГБ каждый. Все межузловые соединения были реализованы на коммутаторе Cisco Nexus 5020. Вычислительная система, установившая рекорд в Indy Gray Sort, состояла из 47 таких же узлов.