Наши читатели, наверное, знают о так называемых метаматериалах. Их необычные оптические свойства позволяют делать невидимыми предметы, помещенные внутри них.

Теперь команда исследователей из Лондонского Имперского колледжа, возглавляемая проф. Мартином МакКолом (Martin McCall) математически расширила эту идею, предложив скрывать не только предметы, но и события в пространстве-времени.

«Обычно свет замедляется, попадая из воздуха в более плотные материалы. Но теоретически возможно манипулировать светом таким образом, чтобы определенная часть пучка ускорялась, тогда как другая замедлялась», - объясняет проф. МакКол. Когда свет рассматривать в такой плоскости, а не искривлять его в пространстве, то начальная часть пучка ускоряется и прибывает перед наступлением события, тогда как хвост опаздывает и прибывает после наступления события. Результат таков, что на короткий отрезок времени событие не освещается, и его нельзя зафиксировать. После того как событие состоится, «пространственно-временная» щель плавно закрывается. Такая пространственно-временная шапка-невидимка открывает временной коридор, через который может неопределяемым способом передаваться энергия, данные или вещество.

Если что-нибудь перемещать по этому коридору, то для удаленного наблюдателя это будет выглядеть как мгновенное перемещение, создавая иллюзию телепортации. Так что теоретически можно выполнить действие, которое наблюдатель не увидит.

Хотя использование пространственно-временной шапки-невидимки для с целью сделать невидимым человека еще является предметом научной фантастики, имеется много серьезных приложений нового исследования. Так, д-ром Полем Кинслером (Paul Kinsler) с коллегами предложена концепция использования специально разработанных оптических волокон, которые позволят использовать событийную шапку-невидимку в сигнальных процессорах и вычислениях. Такой канал данных мог бы, к примеру, быть прерван для выполнения приоритетных вычислений на параллельных каналах. После этого для внешней части цепи будет казаться, что данные обрабатываются непрерывно.

«Мы уверены, что введение концепции пространственно-временной шапки-невидимки открывают множество других возможностей, но проект пока еще находится на теоретической стадии исследования, и предстоит большая работа по конкретизации деталей предполагаемых приложений», - говорит проф. МакКол.

Этот график иллюстрирует, как работает пространственно-временная шапка-невидимка

Команда исследователей из Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) Принстонского университета и Университета штата Вашингтон разработала новый метод осаждения окислов металлов и металлических наночастиц на графен и формирования стабильного тройного соединения металл-металл окисел-графен для применений в электрокатализе.

Уникальный тройная структура платина-окисел индия олова (Pt-ITO), полученная этим методом, дает в результате более стойкий катализатор для топливных ячеек. При этом катализатор не только более устойчив, но и электрохимически более активен. Исследователи уверены, что результаты помогут улучшить конструкцию топливных ячеек.

Топливные ячейки используют химическую реакцию между кислородом и водородом для получения электрического тока, давая в результате воду и тепло. Основным элементом топливной ячейки является химический катализатор – обычно металл, такой как платина – наносимый на носитель, который часто изготавливается из углерода. Хороший носитель распределяет платину равномерно по своей поверхности, чтобы площадь соприкосновения с молекулами газа была максимальной. Носитель также электропроводен.

В разработках в качестве носителя наиболее часто используется сажа, но атомы платины стремятся к кластеризации на таком углероде. Вдобавок вода может разрушить углеродный слой. Носитель можно изготавливать из окислов металла. Но если окислы металлов выигрывают в стабильности и в равномерности распределения катализатора, то они проигрывают в проводимости и легкости синтеза. Ряд исследователей начали изучать свойства окислов металла в соединении с углеродными материалами, чтобы использовать преимущества обоих.

Графен, по мнению ученых, очень привлекательный в качестве углеродного носителя. Он имеет пористую структуру, электропроводен и предоставляет большую рабочую поверхность для атомов платины.

В своих исследованиях команда сначала кристаллизовала наночастицы окисла индия олова (ITO) на специально подготовленном графене. Затем они добавили наночастицы платины к полученному образцу и протестировали материал.

Материал изучался под микроскопами с высоким разрешением. Результаты показали, что без ITO атомы платины кластеризуются на поверхности графена. Но при наличии ITO платина хорошо распределяется по поверхности. Полученные снимки также показали, что платина вклинивалась между наночастицами и поверхностью графена.

Чтобы проверить стабильность такой компоновки, команда провела теоретические вычисления молекулярного взаимодействия между графеном, платиной и ITO. Они показали, что тройка была более стабильна, чем соединение только окисла металла с графеном или только катализатора с графеном.

Электрохимический тест показал, что работа платины с носителем ITO-графен особенно длительна. Наконец, команда проверила, как долго новый материал остается в рабочем состоянии. После процедуры искусственного старения, трехсоставной материал показал время жизни в три раза большее, чем один катализатор на графене, и в два раза большее, чем традиционно используемый активированный углерод.

Теперь исследователи инкорпорируют полученный материал в экспериментальные топливные ячейки, чтобы определить, как хорошо он работает в реальных условиях.

Наночастицы окисла индия олова (зеленые и красные) охватывают наночастицы платины (синие) на поверхности графена (черные соты)

Исследователи из Швейцарского федерального технологического института (EPFL) и Института квантовой оптики Макса Планка открыли новый метод для связи фотонов и механических колебаний, который может иметь многочисленные приложения в области телекоммуникаций и квантовой обработки данных.

Проф. Тобиас Киппенберг (Tobias Kippenberg) и его группа из Лаборатории фотоники и квантовых измерений EPFL открыли новый способ связать свет и колебания. Они построили устройство, в котором луч света, проходящий через оптический резонатор, мог управляться другим более сильным световым лучом. Таким образом устройство действует подобно оптическому транзистору, в котором один световой пучок влияет на интенсивность другого.

Построенный оптический микрорезонатор обладает двумя свойствами: первое, он захватывает свет в тонкую стеклянную структуру, заставляя его распространяться по кругу, и второе, структура колеблется подобно бокалу для вина с хорошо определенной частотой. Поскольку структура является очень тонкой (меньше диаметра человеческого волоса), то частота колебаний в 10 тыс. раз выше, чем у бокала. Когда свет инжектируется в устройство, возникает радиационное давление, которое усиливается резонатором. Увеличенное давление деформирует резонатор, связывая свет и механические колебания. При использовании двух световых лучей взаимодействие двух лазеров с механическими колебаниями действует как своего рода оптический «переключатель»: сильный «управляющий» лазер может включать или выключать более слабый, совсем как в электронном транзисторе.

«Уже более двух лет нам было известно о теоретической возможности такого эффекта, - сказал Альберт Шлиссер (Albert Schliesser), сотрудник Института Макса Планка. – Но подтвердить его экспериментально было трудно».

Новый эффект, который окрестили OMIT (OptoMechanically-Induced Transparency – оптомеханически индуцированная прозрачность) может привнести полностью новую функциональность в фотонику. На более фундаментальном уровне исследователи во многих странах пытаются найти пути для управления оптомеханическими системами на квантовом уровне. Переключаемая связь, продемонстрированная исследователями, может помочь преодолеть барьер, служа важным интерфейсом в гибридных квантовых системах.

Это спектрозональная микрография, используемого для изучения OMIT микрорезонатора, сделанная сканирующим электронным микроскопом. Верхняя красная часть – кварцевый тороид. Он поддерживается кварцевым столбиком на полупроводниковом чипе. Кварцевый тороид выполняет две функции: является оптическим резонатором для фотонов и поддерживает механические колебания

Исследователи из Лоуренсовской национальной лаборатории в Беркли и Калифорнийского университета (UC) создали первый нанометровый световой мотор, частота оборотов и направление вращения которого управляется частотой падающего света.

«Мы продемонстрировали плазмонный мотор размером всего 100 нм, который при облучении линейно поляризованным светом может генерировать достаточный вращающий момент, чтобы приводить во вращение кварцевый диск в 4 тыс. раз больший, - сказал Сян Чжан (Xiang Zhang), директор Центра науки и техники UC, который возглавляет исследования. – Мы можем также создать когерентный массив таких моторов с бóльшим вращающим моментом».

Успешность разработки обязана тому факту, что сила, прикладываемая к материалу светом может быть более эффективна в металлических наноструктурах, когда частота падающего света совпадает с частотой плазмонов – поверхностных электронных волн. Чжан с коллегами сделали свастикоподобный наномотор из золота, структура которого обеспечивала максимальное взаимодействие между светом и материалом.

«Планарные свастикоподобные структуры из золота могут рассматриваться как комбинация четырех маленьких LC-цепей, для которых резонансная частота определяется геометрией и диэлектрической постоянной металла, - сказал Чжан. – Прикладываемый вращающий момент является результатом исключительно симметрии структуры и взаимодействия с падающим светом».

Давно известно, что фотоны в пучке света несут как линейный (импульс), так и угловой моменты, которые могут передаваться материальному объекту. Оптические пинцеты и ловушки, к примеру, базируются на прямой передаче импульса. В 1936 г. физик из Принстона Ричард Бет (Richard Beth) продемонстрировал, что угловой момент, – спиновый или орбитальный – измененный рассеянием или поглощением света, может создавать вращающий момент в объекте. Предыдущие попытки использовать передачу углового момента для вращения мотора были затруднены слабостью взаимодействия между фотонами и материалом.

Управление направлением вращения стало возможным благодаря тому, что свастикоподобная структура, имеющая четыре плеча, поддерживает две резонансные длины волн: 810 нм и 1700 нм. При освещении линейно поляризованным гауссовым пучком света лазера с более короткой длиной волны плазмонный мотор вращался против часовой стрелки с частотой 0,3 Гц, а при освещении подобным же пучком с большей длиной волны – с той же частотой, но в противоположном направлении.

При длине волны 810 нм оптические силы воздействуют на внешнюю сторону «крыльев» (рис. слева), вызывая вращение против часовой стрелки. При длине волны 1700 нм свет проходит через щели и воздействует на плечо, приводя к вращению в противоположную сторону.

Почему одни слова короткие, а другие длинные? В течение десятилетий интуитивно понятная теория утверждала, что часто используемые слова короче, для того чтобы сделать язык более эффективным. Однако теперь когнитологи из MIT разработали, исходя из нового исследования, альтернативную гипотезу: длина слова отражает количество информации, которое оно содержит.

«Это может показаться неожиданным, но длина слова лучше объясняется его информационным содержанием, чем частотой использования», - говорит Стивен Пьянтадози (Steven Piantadosi), аспирант департамента мозга и когнитологии MIT.

Идея о том, что частота использования определяет длину слов, ведет начало от работы филолога из Гарварда Джорджа Зипфа (George Zipf), опубликованной им в 1930-х годах. Идея Зипфа имела интуитивную привлекательность, но давала весьма ограниченное объяснение длины слов. «Это имеет смысл, если вы говорите что-нибудь снова и снова. В этом случае вы хотите, чтобы речь была покороче, - говорит Пьянтадози. – Но имеется лучшее толкование, чем это. Частота не принимает в расчет зависимость между словами». То есть многие слова в типичном случае появляются в предсказуемом порядке в строке с другими словами. Короткие слова не обязательно те, которые употребляются чаще. Исследователи обнаружили, что часто короткие слова не содержат много информации сами по себе, но появляются в строке с другими привычными словами, и в ансамбле доносят информацию.

В свою очередь, такая кластеризация коротких слов помогает сглаживать поток информации в языке, образуя строки из близких по размеру языковых пакетов, которые обеспечивают эффективность, - это несколько модифицированная гипотеза Зипфа. Эффективность голосовых коммуникаций достигается при однородном темпе, либо посредством кластеров из более коротких слов, либо посредством одиночных более длинных слов, несущих больше информации. Язык стремится доставлять информацию при постоянной скорости.

Вывод ученых основывается на изучении огромного множества данных, имеющихся в онлайновых документах, опубликованных Google. Исследование охватило 11 европейских языков.

Чтобы оценить, как много информации содержится в слове, ее количество определялось как обратное значение предсказуемости появления данного слова в строке. То есть, слова, наиболее часто встречающиеся после известной последовательности двух, трех или четырех слов, содержали меньше индивидуальной информации. Этот принцип базируется на пионерских работах Клода Шеннона.

Команда из MIT обнаружила, что 10% вариаций длины слова связано с количеством информации, которое оно содержит. Значение само по себе невелико, однако оно примерно в три раза больше, чем вариация длины, связанная с частотой использования.

Исследователи разработали новую систему передачи данных, которая может значительно улучшить пропускную способность и энергоэффективность оптических сетей.

Сегодня эффективность передачи данных по оптоволокну ограничивается фазовым шумом (быстрой кратковременной флуктуацией фазы сигнала, которая воздействует на его качество и вызывает ошибки) от оптических усилителей и перекрестными помехами вследствие взаимодействия сигнала со многими другими сигналами с разными длинами волн, передающимися по сети.

Теперь исследователи в рамках проекта Европейского союза FP7 PHASORS, возглавляемого Исследовательским центром по оптоэлектронике (ORC) Саутгемптоновского университета (UK), анонсировали достижение существенных успехов в возможностях подавления этих помех.

Традиционно данные в оптических сетях посылаются как последовательность битов, кодируемых значением амплитуды светового пучка. Система проста и практична, но с недостаточной пропускной способностью для современных требовательных видеоприложений и растущего их количества в Интернете. Это приводит к необходимости в разработке более эффективного формата сигнала данных, в частности, схем, в которых данные кодируются с помощью фазы, а не амплитуды светового пучка.

Ученые анонсировали разработку первого практического фазочувствительного усилителя и фазового генератора для высокоскоростного бинарного фазового кодирования сигналов. Это устройство, в отличие от ранее разработанных, непосредственно удаляет фазовый шум без необходимости электронного преобразования, которое неизбежно снижает скорость передачи.

«Результат является первым важным шагом навстречу практической реализации полностью оптической обработки фазокодированных сигналов, - отмечает директор проекта проф. Дэвид Ричардсон (David Richardson) из ORC. – Наш генератор может очищать от шума входные сигналы, что позволит увеличить длину и емкость оптических каналов. Мы полагаем, что это устройство найдет широкое применение не только в телекоммуникациях, но и в оптических датчиках, метрологии, а также в измерительных приборах».

Проект PHASORS, который стартовал в 2008 г., преследует цель развивать новые технологии и компоненты для существенного улучшения емкости передачи и энергоэффективности современных оптоволоконных сетей. В нем участвуют ученые из компаний и университетов Швеции, Ирландии, Греции, Швейцарии и Дании.

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.

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

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.

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.

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

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.