Самый мощный в мире электронный сканирующий микроскоп создан в Техасском университете в Сан-Антонио (UTSA). Он может увеличивать изображение в 20 млн раз, а за счет программного обеспечения – в 50 млн раз.

В UTSA он будет применяться, в частности, для повышения эффективности противораковой терапии с использованием наночастиц. Последние также широко применяются в различных исследованиях в химии, физике, биологии, геологии и в индустрии.

Создание микроскопа стало возможным благодаря пожертвованию более миллиона долларов от фонда Клеберга (Kleberg Foundation). Микроскоп был назван «Хеленита» в честь Хелен Гроувз, (Helen Groves), председателя фонда.

Микроскоп такого класса является первым, созданным не в Японии. В специально сконструированной для него комнате тщательно контролируются уровни температуры и вибрации.

Выполняя тонкие манипуляции над парой атомов во временном окне всего лишь 7•10^-6 с, физики из Висконсин-Мэдисонского университета создали атомную цепь, которая приближает построение квантового компьютера.

Группа, возглавляемая Марком Шаффманом (Mark Saffman), успешно использовала нейтральные атомы, чтобы создать вентиль «управляемое НЕ» (CNOT), - базовый тип цепи, которая будет существенным элементом любого квантового компьютера. Эта работа является первой демонстрацией квантового вентиля на двух нейтральных атомах.

Разработка отличается от аналогичных тем, что в ней использовались нейтральные атомы вместо заряженных ионов. «Современный «золотой стандарт» в экспериментальных квантовых вычислениях предписывал использовать ионные ловушки. Народ уже мог разрабатывать небольшие программы на восьми захваченных ионах», - говорит Шаффман.

Однако для выполнения больших программ и сложных вычислений система должна содержать намного большее количество кьюбитов. В то же время системы на ионах создают проблемы при расширении ввиду сильного взаимодействия между собой и с окружающей средой. Нейтральные атомы имеют то преимущество, что в основном состоянии они не взаимодействуют, так что их можно разместить больше в малой области.

Команда использовала лазеры, глубокое охлаждение и высокий вакуум для фиксации двух атомов рубидия внутри «оптической ловушки». Они использовали другой лазер, чтобы возбудить атомы и создать вентиль CNOT и одновременно привести их в состояние зацепления. Правда, зацепление двух нейтральных атомов создавалось и прежде, однако без CNOT.

Сейчас висконсинская группа работает с массивом из 50 атомов, чтобы проверить возможности масштабирования.

Исследователи из Кембриджского университета (Великобритания) и Национального центра научных исследований (CNRS, Франция) изготовили сверхбыстрый графеновый лазер с синхронизацией мод. Результат, который несколько неожиданно явился следствием отсутствия у графена запрещенной зоны, открывает путь к оптическим устройствам, базирующимся на этом материале.

Сегодня доминирующая технология при изготовлении так называемых лазеров с синхронизацией мод (т.е. лазеров, которые генерируют сверхкороткие импульсы с очень высокой частотой повторения) базируется на зеркалах из насыщающегося поглотителя (SESAM). Однако такие устройства являются сложными и дорогими и крайне ограниченными по ширине полосы спектра.

Новый сверхбыстрый лазер использует графен и слои графена для синхронизации мод. «В принципе это несколько удивительный результат, потому что графен не имеет запрещенной зоны, которая является ключевым требованием для синхронизации мод в SESAM», - говорит руководитель разработки Андреа Феррари (Andrea Ferrari).

Команда изучила, как свет поглощается в графене и как возбужденные им носители зарядов ведут себя в материале. В частности, они подчеркнули ключевую роль принципа Паули для насыщения поглощаемого света. Вследствие этого принципа накачка электронов в возбужденное состояние происходит быстрее, чем их релаксация. Это происходит потому, что в каждом состоянии может находиться только один электрон.

Так как дираковские электроны в графене имеют линейную дисперсию, то полоса спектра насыщающегося поглотителя намного превосходит таковую для любого другого известного материала.

Сначала исследователи изготовили графено-полимерный композит, полученный из раствора графена. Затем они поместили этот композит между двумя оптическими волокнами в лазерном резонаторе.

«Графен является идеальным широкополосным насыщающимся поглотителем, способным оперировать в диапазоне от ультрафиолетовых волн до видимого и инфракрасного света, - сказал Феррари. – Наш сверхбыстрый лазер, который использует широкополосную оптическую нелинейность графена, не нуждается в наличии запрещенной зоны, расширяет практическое применение этого новаторского материала от наноэлектроники до оптоэлектроники и интегральной фотоники».

Не исключено, что в будущем подключиться к широкополосному каналу будет так же легко, как включить свет. Фактически, по мнению группы исследователей из Германии, свет от лампы в вашем доме может однажды стать носителем широкополосного сигнала.

«Преимущество такой технологии в том, что вы используете свет, который уже есть», - говорит Елена Вучич (Jelena Vučić) из Фраунгоферовского института телекоммуникаций.

Сегодня беспроводный доступ в квартирах и офисах достигается в основном с помощью Wi-Fi-соединений. Но Wi-Fi имеет не достаточно большую полосу пропускания для современных приложений. В противоположность этому видимый свет предоставить вам практически любую полосу пропускания. Сигнал мог бы генерироваться в комнате с помощью мерцания лампы. Это никого не будет беспокоить, поскольку частота модуляции будет в миллион раз выше, чем может определить человеческий глаз. Поскольку видимый свет не может проникать сквозь стены подобно радиоволнам, то отпадают проблемы помех и угрозы хакеров.

Лампы накаливания и флуоресцентные не могут мерцать достаточно быстро, так что для целей связи необходимо будет использовать светодиоды. Хотя коммерческие светодиоды могут предоставить полосу всего в несколько мегагерц, Вучич с коллегами смогли увеличить полосу в десять раз за счет фильтров, пропускающих только синюю часть спектра. На системе, построенной в их лаборатории, загрузка файла выполнялась со скоростью 100 Мб/с. Хотя современные радиотехнологии могут предоставить сравнимые скорости, Вучич говорит, что они смогут удвоить полосу с помощью более сложной схемы модуляции сигнала.

Класс молекул, чьи размеры, структура и химический состав могут быть оптимизированы для использования в фотонике, может обеспечить требуемую комбинацию свойств, необходимых для создания высокоскоростной полностью оптической обработки сигналов.

Полностью оптическая коммутация позволила бы значительно повысить скорости передачи в телекоммуникациях за счет отказа от преобразования оптических сигналов в электрические и наоборот, а оптическая обработка поспособствовала бы созданию оптических компьютеров с небывалой производительностью.

«Поведенное исследование показало, что, по крайней мере, с молекулярной точки зрения мы можем идентифицировать и производить материалы, которые имеют необходимые свойства для полностью оптической обработки сигналов, - говорит Сет Мардер (Seth Marder), профессор из Технологической школы химии и биохимии штата Джорджия. – Это открывает двери для подхода к этой проблеме совершенно другим путем».

Материалы из полиметинового органического красителя, разработанные командой из Джорджии, соединяют в себе такие свойства, как сильная нелинейность, низкие нелинейные и линейные оптические потери. Материалы с такими свойствами являются крайне важными для разработки нового поколения устройств для высококонтрастного оптического переключения сигналов на длинах волн, использующихся в телекоммуникациях. Сохранение оптического формата данных позволило бы существенно повысить скорость передачи медицинских снимков с высокой детализацией, разрабатывать новые приложения удаленного присутствия, высокоскоростное распознавание образов и даже быстрой загрузке кинофильмов в высоком разрешении.

Но желаемые оптические свойства этих новых материалов пока продемонстрированы только в растворе. Для практического применения исследователи должны получить их твердую фазу и решить длинный список других проблем.

Ученые из IBM, использую технику наноинженерии, сделали самый быстрый в мире лавинный фотодетектор. Такие устройства используются в сетях связи, поэтому данная разработка является важным шагом в области оптических телекоммуникаций. Фотодетектор изготовлен на базе германия и поэтому совместим с технологией производства кремниевых чипов. Он может быть использован в высокопроизводительных системах следующих поколений.

Сегодня внутрикомпьютерная связь осуществляется по миллионам тонких медных проводов. В идеале вместо электрических сигналов лучше всего использовать импульсы света, поскольку с их помощью можно передавать огромные объемы данных, затрачивая на это меньше энергии. Такая архитектура опирается на быстрое преобразование оптических импульсов в электрические сигналы и обратно, однако современные устройства медленны, высокошумны и несовместимы с кремниевыми технологиями.

Одним из многообещающих подходов является лавинный детектор, который преобразует относительно слабый оптический сигнал в достаточно мощные электрические импульсы. В таких устройствах падающие импульсы света выбивают из полупроводника электроны. Они ускоряются электрическим полем и, в свою очередь, выбивают электроны из следующей мишени и т. д. Это создает своеобразную электронную лавину, которая затем выделяется как усиленный сигнал. Однако этот процесс происходит на малых расстояниях и за малый отрезок времени, поэтому подвержен флуктуациям. Это явление известно как шум усилителя, и он ухудшает производительность фотодетектора.

Германий, несмотря на высокий шум, широко используется в фотодетекторах, поскольку в отличие от кремния он может работать в инфракрасном диапазоне – важном для оптической связи. Теперь Соломон Асефа (Solomon Assefa) с коллегами из Исследовательского центра Т. Дж. Уотсона в Нью-Йорке нашли способ снижения шума в германиевых фотодетекторах.

В основе новой разработки лежит управление электрическим и оптическими полями на очень малых дистанциях. Это делается с помощью кремниевых и германиевых световодов, которые концентрируют падающий свет на германиевый детектор. Толщина детектора всего 30 нм, поэтому в нем могут создаваться очень высокие напряженности поля при приложении напряжения всего в один—два вольта. В результате на более короткой дистанции образуется более быстрая лавина, что приводит к уменьшению уровня шумов на 50—70%%.

Устройство является самым быстрым в своем классе, преобразуя оптический сигнал с производительностью 40 Гб/с, что в четыре раза быстрее самых лучших сегодняшних детекторов, а малые размеры позволяют устройству работать при напряжении всего 1,5 В по сравнению с 25 В, требуемыми для современных приборов.

Исследователи из Университета Райса обнаружили, что тонкая пленка из нанотрубок, созданная с помощью струйных принтеров, предоставляет новый способ изготовления полевых транзисторов, базового элемента интегральных схем.

Не известно точно, можно ли будет уменьшить размеры элементов до уровня, требуемого для современных микропроцессоров, но Роберт Вайтай (Robert Vajtai) из департамента машиностроения и материаловедения надеется, что открытие будет полезным для изобретателей, которые захотят напечатать транзисторы на материалах любого вида, в частности, на гибких подложках.

В опубликованной в ACS Nano статье говорится, что ученые из Университета Райса в сотрудничестве с исследователями из Финляндии, Испании и Мексики создали основанную на нанотрубках схему с помощью высокоуровневого струйного принтера и специальных чернил.

Процесс включал тщательный анализ образцов схем, напечатанных с помощью одностенных углеродных нанотрубок, в результате которого была обнаружена зависимость проодимости от количества напечатанных слоев. «Главным являлось напечатать подходящее количество слоев, чтобы получить тот тип проводимости, который вам нужен», - сказал Роберт Вайтай.

Было также обнаружено, что при комнатной температуре транспорт носителей зарядов осуществлялся через сеть полупроводниковых и металлических нанотрубок. При низких температурах полупроводниковые нанотрубки становились изоляторами, так что между соседними металлическими нанотрубками осуществлялось туннелирование электронов.

Нанотрубки для проводящих каналов обрабатывались полиэтиленгликолем, тогда как электроды истока, стока и затвора были напечатаны с помощью карбоксилированных нанотрубок. Слой полиэтиленгликоля использовался в качестве изолятора затвора.

«Это не совершенный транзистор, но он может найти применение в цифровой электронике, - говорит Вайтай. – Имеется ряд ограничений. Я сомневаюсь, чтобы кто-нибудь взял 60-долларовый струйный принтер и напечатал электронную схему с наперед заданными свойствами. Но с высокоуровневым принтером это довольно простой процесс, который, в то же время, позволит вам создать любую схему».

Математики Филип Грессман (Philip Gressman) и Роберт Стрейн (Robert Strain) из Департамента математики штата Пенсильвания нашли решение одного из важнейших уравнений неравновесной статистической механики, которое было сформулировано Людвигом Больцманом и Джеймсом Максвеллом в 1867--1872 гг.:

Как весьма любезно заметил в комментарии Алексей Малышенко, это НЕлинейное ИНТЕГРОдифференциальное уравнение от семи переменных - трех пространственных, трех проекций импульса и времени.

Филип Грессман

Это уравнение было предложено для предсказания распределения газообразного вещества в пространстве при изменении температуры, давления или скорости. Оно дает вероятность локализации молекулы газа в данное время в данной области с данным импульсом. Уравнение хорошо описывает поведение газа и подтверждается экспериментом. Вопреки широкому его использованию при моделировании поведения газа, решение было получено только для состояния равновесия, а в общем случае его не могли получить почти 140 лет.

Роберт Стрейн

Используя современные математические методы теории дифференциальных уравнений в частных производных и гармонического анализа, многие из которых были развиты в течение последних 50-ти лет, математики из Пенсильвании доказали глобальное существование классического решения и время достижения равновесия для уравнения Больцмана при взаимодействиях на больших расстояниях. Глобальное существование и быстрое установление равновесного состояния дают гарантию, что небольшие возмущения не повлекут разрывы в решении, т. е. корректность описания физического явления.

Устройство, изобретенное инженерами из Калифорнийского университета Дэвиса, может значительно ускорить преобразование импульсов света в электрические сигналы и наоборот. Технология может быть использована для сверхбыстрой и высокоемкой связи, получения изображений земной поверхности и криптографии.

По заявлению разработчиков, устройство работает почти в 10 тыс. раз быстрее, чем реализованные на современных технологиях приборы для обработки световых импульсов. Оно преодолевает ограничения существующих подходов, измеряя как амплитуду, так и фазу импульса одновременно, и может измерять информационную емкость в 100-терагерцевой области в режиме реального времени. Современная же электроника ограничена информационной емкостью в десятки гигагерц.

Высокочастотные импульсы могут нести больше информации за данное время. Получая возможность быстро декодировать волну сложной формы в цифровые электронные сигналы, устройство сможет упаковывать больше данных в оптический сигнал. То же самое устройство может быть использовано и для работы в обратном направлении – генерации оптических сигналов из электронных.

Устройство разработано исследовательской группой, возглавляемой проф. С. Дж. Бен Ю (S. J. Ben Yoo). Следующий шаг – реализация устройства в небольшом кремниевом чипе.

 Первый беспереходный транзистор был создан исследователями из Ирландии. По их заявлению устройство, структура которого была предложена еще в 1925 г., но реализованная только сейчас, имеет почти «идеальные» электрические свойства. Потенциально оно могло бы оперировать быстрее и потреблять меньше, чем любой традиционный транзистор, присутствующий сегодня на рынке.

Все современные транзисторы содержат полупроводниковые переходы. Наиболее распространенным типом является p-n-переход, который формируется контактом между частями кремния с p- и n-типом проводимости соответственно. Другие типы переходов включают гетеропереход, который является просто p-n-переходом между двумя различными полупроводниками, и барьер Шотки между металлом и полупроводником.

Количество транзисторов в одном кремниевом микрочипе увеличивается экспоненциально, начиная с начала 1970-х, и сегодня достигает нескольких миллиардов. Однако, чем меньше транзистор, тем труднее создать высококачественные переходы. В частности, очень трудно изменять концентрацию примесей, когда расстояния становятся менее 10 нм. Беспереходный транзистор может, таким образом, способствовать дальнейшей миниатюризации чипов.

Теперь Жан-Пьер Колинь (Jean-Pierre Colinge) с коллегами из Национального института им. Тиндалля отказались от идеи перехода, а взамен этого вернулись к концепции, впервые предложенной в 1925 г. австро-венгерским физиком Юлиусом Эдгаром Лилиенфильдом (Julius Edgar Lilienfield). Запатентованное им «устройство для управления электрическим током» является простым резистором и содержит затвор, который управляет плотностью электронов и дырок, и, таким образом, значением тока.

Устройство версии ирландских исследователей содержит кремниевую нанопроволоку, ток в которой управляется кремниевым затвором, который отделяется от нанопроволоки тонким изолирующим слоем. Структура, по сути, очень проста и выглядит подобно телефонному кабелю, который зафиксирован на поверхности пластиковым зажимом. Кремниевая нанопроволока сильно легирована n-носителями, что делает ее отличным проводником. Однако сам затвор легирован p-носителями, и его присутствие оказывает эффект обеднения количества электронов в области нанопроволоки, расположенной под затвором.

Если напряжение прикладывается вдоль нанопроволоки, то ток не может течь через эту обедненную область. Согласно Колинь, эта область «сжимает» ток в нанопроволоке подобно тому, как поток воды в рукаве прекращается, если тот пережать. Однако, если напряжение прикладывается к затвору, эффект сжатия уменьшается и ток начинает течь.

Эта структура просто создается даже в нанометровой шкале, что приведет к снижению стоимости по сравнению с обычными транзисторами. Устройство имеет также почти идеальные электрические свойства и ведет себя подобно большинству высококачественных транзисторов.