Ученые из Института Кавли при Технологическом университете Делфта и Эйндховенского технологического университета добились успеха в управлении кубитами, строительными блоками будущих квантовых компьютеров. Они теперь способны манипулировать ими с помощью электрического, а не магнитного поля. Они также смогли встроить эти кубиты в полупроводниковые нанопроволоки.

Один из способов построить кубит – это захватить электрон в полупроводнике. Вплоть до недавнего времени спином электрона управляли с помощью магнитных полей. Однако эти поля крайне трудно генерировать на чипе. Электронным спином в кубитах, созданных голландскими учеными, можно управлять посредством электрического поля, что имеет ряд преимуществ.

Другим важным достижением является то, что ученым удалось встроить два кубита в нанопроволоки, изготовленные из полупроводника, – арсенида индия. «Такие нанопроволоки широко используются в качестве обычных строительных блоков в наноэлектронике. Среди прочих применений нанопроволоки являются отличной платформой для квантовой обработки информации», - сказал Лео Кувенховен (Leo Kouwenhoven), ученый из Института Кавли.

Изображение устройства, сделанное с помощью сканирующего микроскопа. Электроды затвора используются для электрического управления кубитами, а исток и сток – для определения состояния кубита

Физики из Технического университета Мюнхена (TUM) и Кельнского университета сообщили об эксперименте, результаты которого могут открыть путь к более быстрой и энергоэффективной записи и обработке данных. Исследователи из TUM смогли привести в движение пространственную структуру (решетку) магнитных вихрей в материале с помощью электрического тока почти в миллион раз более слабого, чем в предыдущих экспериментах. При этом физики наблюдали взаимодействие между электрическим током и магнитной структурой посредством измерений поведения пучка нейтронов, испускаемых источником FRM II, установленном в г. Гархинге (Германия).

В последние несколько лет ученые сконцентрировались на том, как данные могут быть записаны на магнитный носитель прямо с помощью электрического тока. До сих пор проблема заключалась в том, что для этого необходимы были очень большие значения тока.

Немногим более года назад проф. Кристиан Пфлайдерер (Christian Pfleiderer) с сотрудниками из департамента физики TUM открыли новую магнитную структуру в кристалле марганцовистого кремния – решетку магнитных вихрей. Эксперименты в Гархинге были стимулированы теоретическими предсказаниями проф. Ахима Роша (Achim Rosch) из Кельнского университета и проф. Ремберта Дюне (Rembert Duine) из Университета Ультрехта.

Команда Кристиана Пфлайдерера пропустила электрический ток через марганцовистый кремний. С помощью потока нейтронов они были способны наблюдать кручения в решетке магнитных вихрей, которые они вначале не могли объяснить.

В качестве следующего шага исследователи провели эксперименты на устройстве MIRA нейтронного источника FRM II с целью определить, почему решетка закручивалась при пропускании электрического тока. Сначала вычисления противоречили результатам экспериментов в Гархинге. «Магнитная структура крутится, потому что направление электрического тока сильно изменяется благодаря квантовомеханическим эффектам», - объяснил Кристиан Пфлайдерер. Когда электрон проходит через магнитный вихрь, его спин взаимодействует с вихрем. Таким образом, электрический ток воздействует на магнитные вихри, которые начинают двигаться.

После серии измерений ученые сумели установить, что решетка магнитных вихрей демонстрирует свойства, которые могут быть интересны в области нанотехнологий, в частности, для разработки систем хранения данных нового типа. Примечательно, что магнитные вихри очень стабильны и в то же время слабо закреплены в материале, так что даже очень слабый электрический ток может привести их в движение. Это в будущем может позволить записывать и обрабатывать данные быстрее и эффективнее. 

На иллюстрации показано, как магнитные вихри в марганцовистом кремнии образуют регулярную решетку

Ученые из Университета Райса и Принстонского университета нашли, как использовать один из основных материалов информационной индустрии – полупроводника арсенида галлия – в качестве сверхчувствительного микроволнового детектора, который может быть применен в компьютерах следующего поколения.

«Технология перестраиваемых детекторов фотонов в микроволновом диапазоне развита слабо, - сказал Жуй-Жуй Ду (Rui-Rui Du), физик из Райсовского университета. – Имеются полупроводниковые однофотонные детекторы в диапазоне 10—100 ГГц, но их резонансные частоты слишком сложно подстраивать. Наше открытие наводит на мысль, что перестраиваемый однофотонный детектор может быть создан с помощью сверхчистого арсенида галлия».

В исследовании использовался охлажденный до температуры жидкого гелия сверхчистый образец арсенида галлия. Его бомбардировали фотонами микроволнового диапазона, одновременно прикладывая слабое магнитное поле. Неожиданно было обнаружено, что излучение с определенной длиной волны сильно резонировало с охлажденным образцом. Ученые также обнаружили, что с помощью магнитного поля резонансную частоту можно регулировать.

Хотя ученые еще не поняли механизма, который лежит в основе такой чувствительной реакции, они не останавливают исследования, преследуя цель использовать полученный эффект для однофотонных измерений. Открываются также перспективы создания устройств, которые генерируют и передают данные с помощью фотонов, что позволит производить более быстрые и мощные компьютеры.

Инженеры Калифорнийского университета в Сан-Диего недавно разработали первый ультракомпактный маломощный компрессор импульсов на кремниевом чипе.

Этот миниатюрный генератор коротких импульсов удаляет препятствие на пути к оптической передаче данных внутри компьютера, в ЦОД, приложениях для воспроизведения изображений и т. п. Такие быстрые оптические каналы, которые будут агрегировать более медленные с помощью компрессии импульсов, будут иметь намного большую пропускную способность и генерировать меньше тепла, чем медные проводники, которые они заменят. Такие агрегирующие устройства являются крайне важными для оптических соединений внутри и между процессорами в будущих цифровых информационных системах.

«Наш компрессор импульсов изготавливается на чипе, так что мы можем легко интегрировать его с процессором компьютера, - сказал Дон Тэн (Dawn Tan), аспирант Департамента электротехники и проектирования компьютеров. – Следующее поколение компьютеров и сетей, скорее всего, перейдет на оптические соединения, и они должны быть совместимыми с КМОП. Вот почему мы создали наш компрессор импульсов на кремнии».

Компрессор импульсов обеспечит также экономически эффективный метод получения коротких импульсов для большого числа технологий цифрового формирования изображений, таких как спектроскопия с временным разрешением, которая может быть использована для изучения поведения лазеров и электронов, и оптическая когерентная томография.

Сжатые импульсы короче в семь раз исходных – это максимальное сжатие, продемонстрированное на чипе. Вплоть до недавнего времени такой высокий коэффициент сжатия был достижим только на больших оптических или оптоволоконных системах, которые не годились для оптической связи внутри компьютеров и других электронных устройств.

Комбинация высокого сжатия и миниатюрности стала возможной благодаря наноразмерному световоду, называемому интегральный дисперсионный элемент, разработанный и сконструированный в основном Доном Тэном.

Компрессор импульсов работает в два этапа. На первом спектр входящего лазерного луча расширяется. Например, если на входе был зеленый лазерный луч, то на выходе он будет красным, зеленым и синим. На втором этапе интегральный дисперсионный элемент преобразует свет таким образом, что лучи с разной длиной волны распространяются с одинаковой скоростью. Синхронизация скоростей и является механизмом сжатия импульсов.

Микрофотография дисперсионной решетки перед ее помещением на двуокись кремния. Эта решетка позволила инженерам генерировать короткие мощные световые импульсы

Магнитные домены, существующие во многих материалах, до настоящего времени увидеть было нельзя. Однако теперь учеными разработан метод, позволяющий получить изображение полной пространственной структуры магнитных доменов, даже если они находятся внутри материала.

До недавнего времени можно было получить только двумерное изображение магнитных доменов. Ученые из берлинского Центра Гельмгольца впервые разработали метод получения трехмерных изображений этих доменов, которые могут располагаться даже внутри материала.

Как известно, в магнитном материале образуются микроскопические области, имеющие определенный вектор намагниченности, называемые также доменами Вейса, по имени французского физика Пьера-Эрнеста Вейса (Pierre-Ernest Weiss), который теоретически предсказал их существование более 100 лет назад. В 1907 г. он понял, что магнитные моменты атомов внутри ограниченного домена имеют одинаковое направление.

До сих пор все исследования в этой области ограничивались двумерными изображениями на поверхности материала. Теперь исследователи способны увидеть домены в поперечном сечении. Чтобы добиться этого, в Институте твердого тела и исследования материалов им. Лейбница в Дрездене был изготовлен специальный железокремниевый кристалл, для которого была разработана модель группой Рудольфа Шефера (Rudolf Schäfer). С его помощью исследователи решили проблему десятилетней давности.

Большинство магнитных материалов содержит сложную сеть магнитных доменов. Новый метод использует области на границе доменов – так называемые стенки. Внутри домена все магнитные моменты направлены одинаково, но в разных доменах векторы намагниченности направлены неодинаково. Так, на каждой доменной стенке направление магнитного поля изменяется. Исследователи использовали эти изменения для своего радиографического метода, в котором они применили нейтроны.

Нейтроны, проходящие через магнитные поля, слегка изменяют свое направление, примерно, как вода преломляет свет. Нейтроны на своем пути проходят через доменные стенки, которые отклоняют их в разных направлениях. Эти отклонения, однако, очень слабы и в типичном случае невидимы на нейтронных радиограммах, поскольку перекрываются неотклоненными пучками. Исследователи поэтому использовали несколько дифракционных решеток, для того чтобы отделить отклоненные пучки. В течение эксперимента они вращали образец и облучали его со всех направлений. С помощью этих отклоненных пучков они смогли вычислить все формы доменов и сгенерировать полный образ сети.

Магнитные домены являются важными для понимания свойств материала и законов физики. Они также играют важную роль в нашей повседневной жизни (жесткие диски, зарядные устройства, электрические машины и т.д.). При надлежащем выборе доменных свойств можно минимизировать электрические потери на доменных стенках, что приведет к более эффективным магнитным средам для хранения данных.

«Нация, которая управляет магнетизмом, будет управлять миром», - так предсказывал в 1935 г. персонаж популярных американских комиксов Дик Трейси. Это, конечно, преувеличение, но не вызывает сомнения, что нация, которая лидирует в разработках в области магнитоэлектроники или спинтроники, имеет серьезную поддержку своей компетенции в информационную эпоху. В качестве приза она получит более быстрые и дешевые технологии хранения и передачи данных, а ключ к завоеванию этого приза – это понимание и управление свойствами мультиферроиков, известных как спонтанная намагниченность.

Теперь исследователи из Департамента энергетики Лоуренсовской национальной лаборатории в Беркли способны улучшить спонтанную намагниченность в специальных модификациях популярного мультиферроика – феррита висмута. Более того, они могут «включать и выключать» эту намагниченность с помощью приложения внешнего электрического поля, решающей возможности для спинтронной технологии.

«Применяя инновационный подход, мы создали новое магнитное состояние в феррите висмута наряду со способностью управлять этой намагниченностью с помощью электрического поля при комнатной температуре, - сказал Рамамурти Рамеш (Ramamoorthy Ramesh), специалист по материаловедению, который возглавляет исследование. – Повышенная намагниченность возникает в ромбоэдрических фазах в самоупорядочивающихся наноструктурах. Эта намагниченность деформационно заключена между тетрагональными фазами материала и может быть уничтожена приложением электрического поля. Намагниченность восстанавливается при изменении полярности электрического поля».

Мультиферроики являются основными кандидатами для будущих спинтронных устройств, поскольку они могут одновременно проявлять как электрические, так и магнитные свойства. Феррит висмута, мультиферроик, содержащий висмут, железо и кислород (BFO), привлек к себе внимание в области спинтроники благодаря, в частности, неожиданному открытию Рамешом и его группой в 2009 г. Они обнаружили, что хотя феррит висмута является изолятором, две плоскости, проходящие через кристалл и называемые доменными стенками, проводят электричество. Рамеш и его группа нашли, что приложение большого эпитаксиального напряжения (сжатия в направлении кристаллических плоскостей материала) изменяет естественную ромбоэдрическую фазу кристаллической структуры феррита висмута на тетрагональную фазу. Частичное ослабление напряжения создает стабильную наномасштабную смесь ромбоэдрической и тетрагональной фаз.

В новом исследовании ученые разработали такое эпитаксиальное напряжение, которое создает в пленках феррита висмута смесь сильно деформированных ромбоэдрической и тетрагональной фаз, в которой ромбоэдрические фазы механически ограничиваются областями тетрагональных фаз. Магнитные моменты, которые спонтанно возникают в этих специальных пленках, встречаются внутри деформированной ромбоэдрической фазы чаще, чем на межфазных границах, и они значительно сильнее, чем магнитные моменты в обычном феррите висмута. 

На этом изображении образца феррита висмута со смешанными фазами, сделанном с помощью атомно-силового микроскопа, красные и зеленые области указывают два набора смешанных фазовых районов, ориентированных под углом 90 град. друг к другу

Схема показывает структурное расположение ромбоэдрических и тетрагональных фаз в специальной ферритовой пленке висмута – намагниченность ограничивается ромбоэдрической фазой

Физики из Боннского университета разработали полностью новый источник света - конденсат Бозе-Эйнштейна, состоящий из фотонов. Вплоть до недавнего времени эксперты считали это невозможным. Метод потенциально пригоден для разработки инновационных источников света подобных лазерам, которые работают в рентгеновском диапазоне. Среди других приложений они могут позволить создать более мощные компьютерные чипы.

Получение конденсата Бозе-Эйнштейна для фотонов столкнулось с фундаментальными проблемами. Когда фотоны «охлаждаются», они исчезают. Считалось невозможным охладить свет и в то же время сконцентрировать его. Однако физики Ян Клерс (Jan Klärs), Юлиан Шмит (Julian Schmitt), д-р Франк Февингер (Frank Vewinger) и проф. Мартин Вайц (Martin Weitz) добились успеха.

Температура фотона связана с его длиной волны. Черное тело, нагретое до 5,5 тыс. град. Цельсия, излучает примерно тот же спектр, что и полуденное Солнце. Другими словами, температура света от Солнца в полдень составляет 5,5 тыс. градусов.

Когда черное тело охлаждают, то при некоторой температуре оно перестает излучать в видимом спектре. В то же время интенсивность излучения уменьшается, то есть число излученных фотонов также падает. Это и затрудняет получение необходимого количества фотонов для конденсата.

Исследователи из Бонна достигли успеха посредством использования двух зеркал с высокими коэффициентами отражения, между которыми свет претерпевал многократное отражение. Между отражающими поверхностями имелись молекулы растворенного пигмента, с которыми фотоны периодически сталкивались. При этих столкновениях молекулы поглощали фотоны, а затем испускали их. «В течение этого процесса фотоны принимали температуру жидкости, - объяснил проф. Вайц. – Таким образом они охлаждались до комнатной температуры, и это происходило без их потерь».

Затем физики увеличили количество фотонов между зеркалами, возбуждая пигмент лазерным излучением. Это позволило им сконцентрировать охлажденные фотоны настолько, что они сконденсировались в «суперфотон».

Этот фотонный конденсат является полностью новым источником света, который имеет характеристики подобные лазерному излучению. Однако по сравнению с лазерным он имеет существенное преимущество. «Сегодня мы не можем производить лазеры, которые генерируют очень коротковолновое излучение, - говорит Ян Клерс. – С фотонным конденсатом это будет возможно».

В перспективе это может быть использовано разработчиками чипов. Как известно, они применяют лазерное излучение для травления логических цепей в полупроводниковых материалах. Среди других факторов, ограничивающих дальнейшую миниатюризацию, присутствует и длина волны света. В принципе, использование рентгеновских лазеров могло бы привести к более компактным схемам.

Создатели «суперфотона» (слева направо): Юлиан Шмит, Ян Клерс,  д-р Франк Февингер и проф. Мартин Вайц

Наши прямые знания о черных дырах во вселенной ограничиваются тем, что мы можем видеть на расстояниях тысяч и миллионов световых лет. Команда физиков из Китая предложила простой способ создания искусственных электромагнитных черных дыр в лаборатории.

В статье, опубликованной в Journal of Applied Physics, Хуань-Ян Чень (Huanyang Chen) из Университета Суджоу с коллегами представили проект искусственной электромагнитной черной дыры из пяти типов композитных изотропных материалов, уложенных слоями таким образом, что их поперечные магнитные моды захватывают падающие электромагнитные волны. Такие искусственные черные дыры не позволяют электромагнитным волнам их покинуть, аналогично черной дыре, захватившей свет.

В данном случае захват происходит в микроволновом участке спектра. Однако группа предполагает, что предложенная методика может быть адаптирована и для более высоких частот, даже для видимого света.

«Разработка искусственных черных дыр позволит измерить, как поглощается проходящий через них свет, - сказал Чень. – Они также могут быть использованы для накопления света в системах солнечных элементов».

Они занимают восемь позиций в первой десятке в списке Green500. Эти суперкомпьютеры используют выделенные аппаратные ресурсы для выполнения вычислений быстрее, чем ЦП.

Список Green500 ранжирует 500 самых быстрых в мире суперкомпьютеров по энергоэффективности и ведется с 2007 г., являясь дополнением к хорошо известному списку TOP500.

Первое место в списке занимает IBM Blue Gene/Q, прототип суперкомпьютера третьего в серии энергоэффективных суперкомпьютеров Blue Gene, следующий за моделями Blue Gene/L и Blue Gene/P. Напомним, что Blue Gene/L возглавил список TOP500 2004 г., опередив мощный японский Earth Simulator, державший первенство пять последовательных выпусков списка TOP500. Второе место досталось суперкомпьютеру TSUBAME 2.0, установленному в Токийском технологическом институте.

 
Хоть и не на первых местах, в общем списке Green500 доминируют суперкомпьютеры с акселераторами. Акселераторы наделали много шума во всем мире. Под № 11 в Green500 стоит китайский суперкомпьютер Tianhe-1A, самый быстрый в ноябрьском списке TOP500.

Компьютеры с акселераторами в большинстве своем относятся к одному из двух типов: первые базируются на массовых графических процессорах, а вторые – на специальном процессоре PowerXCell 8i от IBM. Последний является улучшенной версией Cell Broadband Engine, разработанной для игровой консоли PlayStation 3, и включает сеть программируемых блоков, называемых программируемая пользователем вентильная матрица (field-programmable gate array – FPGA).

Несомненно, солнечный свет представляет собой наиболее чистый и емкий источник энергии, но его потенциал, к сожалению, используется слабо. Сдерживающим фактором здесь служит высокая стоимость изготовления крупномасштабных солнечных элементов на базе кремния.

Наностолбики – плотно упакованные массивы оптически активных полупроводников – показали потенциальную возможность создания нового поколения относительно недорогих и крупномасштабных солнечных элементов, однако препятствием здесь служили проблемы с эффективностью. Однако в истории наностолбиков произошел новый поворот, и их будущее теперь выглядит более светлым.

«Изменяя форму и геометрию высокоупорядоченных массивов наностолбиков из германия или сульфида кадмия, нам удалось существенно улучшить свойства их оптического поглощения», - сказал проф. Али Джави (Ali Javey), химик, который является сотрудником Лоуренсовской национальной лаборатории в Беркли и находящегося там же Калифорнийского университета.

В последней работе он и его группа показали, что они могут изготавливать наностолбики, которые поглощают свет с той же эффективностью и даже большей, чем коммерческие тонкопленочные солнечные элементы. При этом они не нуждаются в антирефлекторном покрытии и используют меньше полупроводниковых материалов.

Теоретические и экспериментальные исследования показали, что трехмерный массив полупроводниковых наностолбиков со строго определенным диаметром, длиной и шагом хорошо поглощает свет, но вплоть до недавней работы проф. Джави и его группы изготовление таких наностолбиков было сложной и трудоемкой процедурой.

Проф. Джави и его коллеги изготовили свои наностолбики сложного профиля (диаметр основания был большим, чем диаметр вершины) с помощью литейной формы из алюминиевой фольги толщиной 2,5 мм. Для создания массива пор глубиной 1 мкм в литейной форме с двумя диаметрами был использован двухступенчатый процесс анодирования. Затем были осаждены частички золота, чтобы катализировать рост полупроводниковых наностолбиков.

«Этот процесс позволил тонко управлять геометрией и формой однокристального массива наностолбиков без использования сложных эпитаксиальных и/или литографических процессов, - сказал проф. Джави. – При высоте всего два микрона наш массив наностолбиков способен поглотить 99 % всех фотонов в диапазоне длин волн от 300 до 900 нм без антиотражающего покрытия».

Германиевые наностолбики могут использоваться для поглощения инфракрасного света в высокочувствительных сенсорах, а из сульфида кадмия или теллурида – для солнечных элементов.

Слева – схематическое изображение массива германиевых наностолбиков, встроенного в мембрану из алюминиевой фольги. Справа – вид поперечного сечения (сканирующий электронный микроскоп) чистой алюминиевой мембраны с порами двух диаметров. На вставке показаны германиевые наностолбики после выращивания