Поиск путей управления материей на уровне одиночных атомов и электронов привлекает многих ученых, так как возможность манипулировать одиночными зарядами и спинами может помочь исследователям проникнуть глубже в мистический мир квантовой механики и физики твердого тела. Это может также позволить разрабатывать новые высокочувствительные магнитометры, транзисторы с управляемым одиночным спином для когерентной спинтроники и твердотельные устройства для квантовой обработки данных.

Недавно сотрудничество экспериментаторов из Института Кавли при Университете г. Делфт и теоретиков из Лаборатории Эймса Департамента энергетики США привело к успеху в области управления одиночными спинами.

Исследователи разработали и реализовали специальные способ управления одиночным спином примеси атомного масштаба в алмазе. Эти примеси, называемые центрами вакансий азота (NV centers), привлекают внимание благодаря своим необычным магнитным и оптическим свойствам. Но их неустойчивые квантовые состояния легко разрушаются даже при незначительном взаимодействии с окружающим миром.

Применяя специально разработанную последовательность высокоточных электромагнитных импульсов, ученые смогли сохранить квантовое состояние одиночного спина, как бы изолировав его от взаимодействия с внешней средой. Таким способом они в 25 раз увеличили время жизни квантового состояния при комнатной температуре. Это первая демонстрация универсальной динамической изоляции одиночного спина в твердом теле.

«Неуправляемое взаимодействие спина с внешней средой было основной трудностью в реализации квантовых технологий, - сказал руководитель датской экспериментальной группы проф. Рональд Хансон (Ronald Hanson). – Наши результаты демонстрируют, что эта трудность может быть преодолена».

Кроме важности для фундаментального понимания квантовой механики, достижение исследователей открывает путь к использованию примесных центров в алмазе в качестве высокочувствительных магнитных сенсоров и потенциально в качестве кубитов для квантовой обработки данных.

Физики из CERN существенно продвинулись в изучении антиматерии. Им впервые удалось управлять созданием атомов из антиматерии и захватить их в ловушку, используя магнитные поля.

Хотя были созданы тысячи атомов антиводорода (антипротон + позитрон), захватить удалось только 38. Атомы «прожили» в ловушке 0,17 с, достаточно долго по меркам микромира.

Обычно, когда рождаются частицы антиматерии, они практически мгновенно аннигилируют при контакте с материей. Антиводород был создан в вакууме, но все же имел короткое среднее время жизни.

Изучение антиматерии затрудняется тем, что магнитное поле, которое используется для предотвращения столкновения с материей, слабо взаимодействует с нейтральными антиатомами. Тем не менее определенное взаимодействие антиводорода с сильным магнитным полем существует, если его достаточно сильно охладить. В эксперименте температура достигала 0,5 К.

На следующей стадии эксперимента планируется изучить, как долго атомы антиматерии могут существовать в ловушке и как много их можно создать. Далее планируется перейти к экспериментам с облучением антиматерии лазерами, чтобы определить особенности поглощения света. Согласно так называемой Стандартной модели, поведение материи и антиматерии должно быть одинаковым. Следовательно, антиводород должен поглощать те же длины волн, что и водород.

В классической физике каждая «случайность» на самом деле детерминирована, и, принципиально, по крайне мере, может быть предсказана – «достаточно лишь решить» соответствующую систему уравнений при заданных начальных условиях. Квантовая механика положила конец столь удобному взгляду на мир и склонила коромысло весов в противоположную сторону – детерминизм начали отрицать в принципе. В конце концов пришли к компромиссному решению: эволюция пси-функции во времени детерминирована, однако сама пси-функция является амплитудой вероятности получения того или иного значения динамической переменной, описывающей систему.

Однако в ряде приложений (например, в криптографии) возникала потребность в случайных числах, которая обычно решалась за счет так называемых генераторов случайных чисел. «Степень случайности» полученных таким образом чисел при возможностях современной вычислительной техники очень высока, но все же последовательность, строго говоря, является псевдослучайной.

Исследователи Института физики света им. Макса Планка в Эрлангене (Бавария) сконструировали устройство, генерирующее истинно случайные числа, которые принципиально не могут быть предсказаны. Исследователи использовали тот факт, что результат измерения в квантовой физике может быть предсказан только с определенной вероятностью (включающей также и значение равное 1).

В качестве квантовых костей ученые использовали флуктуации вакуума. Виртуальные частицы (в данном случае речь идет о фотонах) оставляют след в виде квантового шума, возникающего в экспериментах. Чтобы сделать квантовый шум видимым, ученые прибегли к другому трюку из квантовой механики. Они расщепили мощный лазерный луч на два равных пучка с помощью светоделителя. Светоделитель имеет два входа и два выхода. Один из входов был закрыт, чтобы предотвратить попадание туда луча. Тем не менее, вакуумные флуктуации в этом канале оказывали влияние на два выходящих луча. Они были направлены на детекторы, в которых измерялась интенсивность фотонов. Каждый фотон выбивал электрон, и суммарный электрический ток регистрировался детекторами. «Сухой остаток» после вычитания двух кривых и дал квантовый шум. Его интенсивность является абсолютно случайной.

Новые ячейки памяти, изготовленные из графеновой наноленты, были продемонстрированы исследователями из Германии, Швейцарии и Италии. Устройство мало, однако имеет очень большую плотность ячеек, намного большую, чем возможно достичь на базе кремниевых чипов.

Наиболее важным свойством чипов памяти является объем – емкость количество данных, которое можно в них разместить. Последние 20 лет плотность ячеек памяти на чипе растет экспоненциально, подчиняясь закону Мура. В свою очередь, плотность прямо зависит от размера ячейки. В этом отношении графен является многообещающим материалом благодаря своим исключительным электронным и механическим свойствам – он позволяет изготавливать устройства размером менее 10 нм.

Роман Сордан (Roman Sordan) из Миланского политехнического института и коллеги из Штутгарта и Лозанны изготовили 10-нанометровые ячейки памяти на базе графеновых нанолент – формы графена, имеющей наименьшие размеры площади. «В самом деле, площадь нашей новой ячейки памяти настолько мала, что обеспечивает очень высокую плотность, - комментирует разработку Сордан. – Таким образом, мы ожидаем, что чипы памяти из графеновой наноленты продлят справедливость закона Мура в обозримом будущем».

Команда изготовила графеновые наноленты путем осаждения нановолокон V₂O₅ на поверхность графена и последующего травления с помощью пучка ионов аргона. Ионный пучок удалял весь графен, не защищенный нановолокнами. Этот простой метод позволил сформировать графеновые наноленты под слоем нановолокон, которые затем были удалены.

Преимущество использования нановолокон в качестве маски при травлении заключается в том, что с помощью этой техники можно сформировать очень узкие наноленты шириной менее 20 нм.

Другим преимуществом использования волокон V₂O₅ является возможность их легкого удаления после формирования нанолент – они могут быть смыты простой водой.

Ученые также обнаружили, что импульсы напряжения противоположных знаков на затворе могут переключать устройство между двумя состояниями. После переключения устройство остается в новом состоянии даже после сброса напряжения, то есть обладает «памятью». «Этот эффект памяти, вероятно, обязан зарядам, окружающим наноленты, которые захватываются молекулами воды, абсорбированными подложкой SiO₂, на которой изготавливались устройства», - объясняет Сордан.

Устройство имеет время перехода, которое на три порядка величины меньше, чем у объявленных ранее устройств памяти на базе графена или углеродных нанотрубок, что позволит использовать высокую тактовую частоту.

Исследователи из Университета Шанси (Китай) объявили о прогрессе в понимании одномолекулярных магнитов, которые сочетают свойства своих макроскопических собратьев с квантовыми свойствами.

Для лучшего понимания внутренней структуры одномолекулярных магнитов Хай-Бинь Сюэ (Hai-Bin Xue) с коллегами изучили статистику движения через них электронов. Понимание этого является важным шагом в разработке новых путей в области хранения и обработки данных, а также квантовых вычислений. Полученные результаты важны и для молекулярной спинтроники.

«Одномолекулярный магнит можно рассматривать как магнитную квантовую точку с более сложной структурой уровней, - говорит соавтор И-Хан Не (Yi-Hang Nie). – Это делает его хорошим кандидатом для молекулярных спинтронных устройств».

В настоящее время отсутствует хорошее понимание, как электроны двигаются через одномолекулярные магниты. Вольт-амперные характеристики такой системы не изучены достаточно хорошо для практических применений. Полученные результаты существенно дополняют более ранние исследования в области магнитных молекул, в которых шумы были изучены недостаточно полно. По заверению ученых, предсказания будут проверены экспериментально в ближайшем будущем.

Команде физиков из Йельского университета впервые удалось с помощью лазера охладить молекулу, сделав тем самым существенный шаг в использовании молекул в качестве информационных битов в будущих квантовых вычислениях.

Сегодня ученые в качестве кубитов используют либо индивидуальные атомы, либо «искусственные», так называемые квантовые точки. Но индивидуальные атомы не взаимодействуют друг с другом достаточно сильно, как это требуется для кубитов. С другой стороны, искусственные атомы, которые по сути ближе к схемам, сделанным из миллиардов атомов, но ведущим себя подобно одному атому, достаточно сильно взаимодействуют друг с другом. Однако будучи слишком большими, «шумят» из-за воздействия внешней среды. В этой ситуации молекулы являются необходимой золотой серединой.

Для того чтобы использовать молекулы в качестве кубитов, физики должны быть способны управлять и манипулировать ими, что является крайне сложной задачей, поскольку молекулы, как правило, нельзя захватить и перемещать, не возбудив их. Вдобавок, даже при комнатной температуре молекулы имеют большую кинетическую энергию, что приводит к их движению, вращению и колебаниям.

Чтобы преодолеть эту проблему, команда из Йельского университета использовала лазер для охлаждения молекул. Хотя лазеры использовались ранее для охлаждения индивидуальных атомов, такая возможность для молекул была продемонстрирована впервые.

В своем эксперименте физики использовали молекулу монофторида стронция. Помимо квантовых вычислений, лазерное охлаждение молекул имеет потенциальные приложения в химии, где при таких низких температурах могут происходить ненаблюдаемые еще реакции, вызванные квантовым туннельным эффектом. Физики также надеются использовать лазерное охлаждение для изучения элементарных частиц, где точные измерения молекулярной структуры могут дать ключи к обнаружению экзотических и еще не открытых частиц.

«Лазерное охлаждение атомов привело к настоящей научной революции. Оно сегодня используется как в области фундаментальных наук, например для получения конденсата Бозе-Эйнштейна, так и в устройствах обычного мира, таких как атомные часы и навигационные приборы, - говорит руководитель разработки Дэвид ДеМиль (David DeMille). – Расширение этой техники на молекулы обещает открыть новые захватывающие области науки и технологических приложений».

Исследователи их Института технологии штата Джорджия разработали новый класс электронных логических устройств, в которых ток переключается электрическим полем, сгенерированным приложением механического напряжения к нанопроволоке из окиси цинка.

Устройство, которое включает транзисторы и диоды, могло бы использоваться в нанометровой робототехнике, наноэлектромеханических и микроэлектромеханических системах. Механическое воздействие для создания напряжения может быть таким простым, как нажатие на кнопку, напряжение мускулов или движение компонентов робота.

Взамен использования электрического тока для изменения потенциала затвора, в новых логических устройствах переключающее поле создается посредством получаемого при деформации нанопроволок пьезоэлектрического эффекта, который создает электрический заряд в определенных кристаллических материалах.

Используя транзисторы на основе полученного эффекта, размещенные на гибкой полимерной подложке, исследователи продемонстрировали основные логические операции, включающие вентили NOR, XOR, NAND, а также функции мультиплексирования/демультиплексирования, просто прилагая различные типы напряжения к нанопроволокам из окиси цинка. Они также создали инвертер, разместив транзисторы с напрягаемым затвором на обеих сторонах гибкой подложки.

«Используя транзисторы с напрягаемым затвором в качестве строительных блоков, мы можем построить сложную логику, - сказал проф. Чжун Линь Ван (Zhong Lin Wang). – Впервые механическое воздействие используется для создания логических операций».

Транзистор изготавливается из одной нанопроволоки из окиси цинка, которая двумя концами – истоком и стоком – крепится к металлическими контактами к подложке из полимера. Изгибание устройства меняет их полярность при сжатии и растягивании противоположных сторон.

Устройства откликаются на очень слабые механические воздействия, работают на низких частотах, характерных для человека и окружающей среды, и не будут конкурировать с традиционными КМОП-транзисторами в высокочастотных приложениях.

Исследователи из Университета штата Орегон (OSU) добились успеха в решении одной из фундаментальных проблем материаловедения, которая не поддавалась с 60-х годов прошлого века, и которая может послужить основой для нового подхода к электронике.

Открытие заключается в создании первого в мире высокопроизводительного диода металл-изолятор-металл (МИМ). «Исследователи десятилетия пытались сделать это, но все их попытки были безуспешными вплоть до недавнего времени, - сказал Дуглас Кеслер (Douglas Keszler), профессор химии из OSU. – Диоды, сделанные ранее другими методами, имели всегда плохой выход и производительность».

Традиционная электроника, базирующаяся на кремниевых материалах, использует транзисторы для управления током. Хотя она быстра и относительно недорога, такой подход все еще ограничивается скоростью движения электронов через эти материалы. С наступлением эры сверхбыстрых компьютеров и более технологически сложных продуктов, таких как ЖК-дисплеи, современные технологии подошли к пределу своих возможностей.

В противоположность этому МИМ-диод может быть использован для выполнения подобных функций, но радикально отличным способом. Устройство подобно сэндвичу – между двумя слоями металла помещается изолятор. При работе электроны туннелируются через изолятор и практически мгновенно появляются на другой стороне.

В своей разработке ученые и инженеры применили технологию «аморфного металлического контакта», что решило проблему прошлых неудач в изготовлении МИМ-диодов. Новые диоды получены при относительно низких температурах с помощью техники, которую можно применить для изготовления устройств на различных подложках и больших площадях.

Новые диоды могут быть использованы в сверхбыстрых компьютерах и электронике. В перспективе также «энергособирающие» технологии, такие как захват ночью переизлучаемой солнечной энергии от остывающей Земли.

Это изображение асимметричного МИМ-диода отображает основной успех в материаловедении, который может привести к более дешевым и быстрым электронным устройствам

Способность материалов с изменяемой фазой (PCM) быстро и легко переключаться между фазовыми состояниями сделали их привлекательными для изготовления низковольтной энергонезависимой памяти и устройств хранения. Теперь исследователями из Лоуренсовской лаборатории в Беркли и Калифорнийским университетеом (UC) открыт новый класс фазоизменяемых материалов, который может быть использован для фазоизменяемой RAM (PCM) и, возможно, для оптических систем хранения данных. Новые фазоизменяемые материалы – нанокристаллический сплав металла и полупроводника – называются BEANs, аббревиатура от Binary Eutectic Alloy Nanostructures.

«Фазовые изменения в BEANs, переключающие их из кристаллического состояния в аморфное обратно, могут быть выполнены за наносекунды с помощью электрического тока, луча лазера или их комбинации, - говорит Дарил Чрзан (Daryl Chrzan), физик, который работает и в Berkeley Lab, и в UC. – Работая с наночастицами германия и олова, встроенными в кремнезем, в качестве нашего первого BEANs, мы смогли стабилизировать твердую и аморфную фазы и могли регулировать кинетику переключения между ними просто изменяя состав. Мы показали, что бинарные эвтектические сплавы наноструктур, таких как квантовые точки и нанопроволоки, могут служить в качестве фазоизменяемых материалов. Ключом к наблюдаемому нами поведению является встроенные наноструктуры в матрицу наноразмерного объема. Наличие границы раздела наноструктура/матрица делает возможным быстрое охлаждение, которое стабилизирует аморфную фазу и также позволяет регулировать трансформационную кинетику фазоизменяемых материалов».

Эвтектический сплав является металлосодержащим материалом, который плавится при температуре самого легкоплавкого компонента. Смесь олова и германия является эвтектическим сплавом, который рассматривался исследователями как прототип фазоизменяемого материала, потому что он мог существовать при комнатной температуре либо в стабильном кристаллическом состоянии, либо в метастабильном аморфном. Чрзан и его коллеги нашли, что когда нанокристаллы олова германия встраивались в аморфный кремнезем, они образовывали билобарную наноструктуру, которая была наполовину кристаллическим металлом и наполовину кристаллическим полупроводником.

Быстрое охлаждение, следующее за лазерным расплавлением, стабилизирует метастабильное аморфное композиционно смешанное фазовое состояние при комнатной температуре, тогда как умеренное нагревание, за которым следует более медленное охлаждение, возвращает нанокристаллы к их начальному билобарному кристаллическому состоянию.

Ожидается, что в аморфном состоянии сплав продемонстрирует нормальную металлическую проводимость. В билобарном состоянии BEAN будет включать один или более барьеров Шотки (переход металл-полупроводник), которые могут функционировать как диоды. Для целей хранения данных металлическая проводимость может обозначать «0», а барьер Шотки – «1».

Ученые сообщают об открытии биологических секретов, которые позволяют растениям вблизи Чернобыльской атомной станции адаптироваться и цвести в высоко радиоактивной почве.

Мартин Гайдук (Martin Hajduch) с коллегами сообщил, что растения проявляют неожиданную способность адаптироваться к среде, загрязненной радиацией. Их предыдущее исследование, например, показало, что соя приспосабливалась к загрязненной почве посредством определенных изменений своего протеома – полного набора белков. Но более широкий спектр биохимических изменений в растениях, который позволяет им процветать в этих агрессивных условиях, оставался неясным.

Ученые вырастили лен в загрязненной радиацией почве в чернобыльской зоне и сравнили его с таким же льном, выращенным в чистой почве. Радиация имела относительно небольшое влияние на белки – только около 5% белков оказались измененными. Среди них оказались белки, ответственные за межклеточный обмен информацией, или за химические связи, которые, возможно, помогают растениям преодолевать влияние радиации, полагают ученые.