Физики из Technische Universitaet Muenchen (TUM), Ludwig-Maximilians-Universitaet Muenchen (LMU) и Max-Planck-Institute of Quantum Optics (MPQ) обнаружили время задержки вылета электрона из атома при фотоэффекте. Вплоть до недавнего времени предполагалось, что оно равно нулю. Эта задержка является самым коротким временным отрезком, который удалось измерить на сегодняшний день.

Физики облучали атомы неона лазерными импульсами света ближней инфракрасной области длительностью менее четырех фемтосекунд (10 ^-15 с). Одновременно атомы бомбардировались импульсами света крайней ультрафиолетовой области длительностью 180 аттосекунд, которые выбивали электроны из внешней 2р-орбиты или из внутренней 2s-орбиты атомов. С помощью управляемого поля синхронизированных лазерных импульсов, служащих в качестве «аттосекундного хронографа», физики затем зарегистрировали, когда возбужденный электрон покидает атом. Их измерения обнаружили, что электроны различных атомных орбит, хотя и возбуждаются одновременно, покидают атомы с небольшой, но измеримой задержкой около 20 аттосекунд.

Задачей определить причину этой задержки занялись теоретики из Лаборатории аттосекундной физики MPQ под руководством Владислава Яковлева. Хотя они смогли подтвердить эффект количественно, используя сложные вычисления, они получили время задержки только пять аттосекунд. Причина этого расхождения может лежать в сложности атома неона, который содержит 10 электронов. «Вычислительные мощности для моделирования такой многоэлектронной системы превышают возможности современных суперкомпьютеров», - сказал Яковлев.

Тем не менее, это исследование уже указало на возможную причину «задумчивости» электронов: электроны взаимодействуют не только с атомным ядром, но и между собой. «Это электрон-электронное взаимодействие может означать, что имеется короткий перерыв, прежде чем электрон будет освобожден его собратьями и покинет атом после соударения с фотоном», - говорит д-р Мартин Шульц (Martin Schulze), сотрудник Лаборатории.

По мнению Ференца Крауза (Ferenc Krausz), эти плохо изученные взаимодействия имеют фундаментальное влияние на движение электронов, которые определяют направление биологических и химических процессов, не говоря уже о скорости микропроцессоров. Эти исследования прольют свет на электронные взаимодействия в атомном масштабе.

Исследование, выполненное учеными из Стэнфордского университета и RIKEN, открыли новые возможности микроскопических процессов, с помощью которых сопротивление определенных материалов сильно изменяется в присутствии магнитных полей.

Колоссальный магниторезистивный эффект (CMR), явление, в котором небольшие изменения магнитного поля вызывают огромные вариации сопротивления, привлекает внимание как средство разработки энергоэффективной более компактной альтернативы в традиционных схемах. В отличие от полупроводников, таких как кремний, электроны в манганитах и других окислах переходных металлов, в которых встречается CMR, сильно взаимодействуют. CMR возникает, когда сильное магнитное поле переводит такие материалы из фазы изолятора с упорядоченными зарядами в фазу ферромагнетика, радикально изменяя свойства материалов.

Более ранние методы, разработанные командой, давали эффект на манганитных пленках толщиной всего дюжину нанометров. Чтобы расширить механизмы перехода, исследователи приспособили микроволновый импедансный микроскоп к сверхнизким температурам и сверхвысоким магнитным полям. С помощью этого микроскопа они открыли, что при магнитной индукции около 9 тл возникают нитевидные магнитные домены, расположенные вдоль осей подложки пленки.

Это открытие улучшило понимание микроскопических фазовых переходов в тонких пленках манганитов и обещает революционизировать вычислительные технологии.

а) зависимость сопротивления от магнитного поля при температуре 10 К
b), c) изображения, полученные с помощью микроволнового импедансного микроскопа, сделанные при магнитном поле 2,4 и 9,0 тл соответственно. Красная область - состояние изолятора, желтая область - состояние металла 

Известно, что при наложении две когерентные волны дают интерференционную картину. Физик из Австрии и Канады экспериментально подтвердили отсутствие интерференции более высокого порядка, подтвердив тем самым аксиому Макса Борна.

В 1926 г. он постулировал, что плотность вероятности найти квантовый объект в определенном месте и в определенное время равна квадрату абсолютной величины его волновой функции. Прямым следствием этого правила является интерференционная картина дифракции на двух щелях. Постулат Борна предполагает, что интерференция встречается только от двух источников. Интерференция более высокого порядка исключается. Вплоть до недавнего времени экспериментального доказательства этого не существовало. Но сейчас группа, из Университета Инсбрука и Университета Ватерлоо, возглавляемая проф. Грегором Вайсом (Gregor Weihs), подтвердила точность постулата Борна в эксперименте по трехщелевой интерференции. «Существование интерференционных членов третьего порядка было бы ужасным потрясением для квантовой механики», – сказал Вайс. Побудительным мотивом для этого эксперимента было предположение, сделанное физиками для построения объединенной теории поля.

Грегор Вайс, профессор фотоники при Университете Инсбрука, и его группа исследуют новые источники света, которые будут использоваться для передачи квантовой информации. Он разработал однофотонный источник, который служил основой для проверки постулата Борна. Фотоны проходили через стальную мембранную маску, в которой имелись три микронных щели. Измерения выполнялись с поодиночно закрываемыми щелями, что давало восемь независимых комбинаций. Полученные данные были затем использованы для вычислений.

«В принципе этот эксперимент очень простой, - говорит Грегор Вайс. – и было очень удивительно обнаружить, что никто не сделал этот эксперимент раньше». Однако необходимо было существенно повысить точность измерений, что стало возможным в течение двух лет напряженного труда. «Наши эксперименты показывают, что мы можем исключить существование интерференции третьего порядка с определенной точностью», - сказал Вайс. Следующий шаг заключается в улучшении точности эксперимента.

Инженеры из Университета штата Иллинойс разработали новый метод прямой печати для производства металлических соединений, что позволит уменьшить интегральные схемы.

Интегральные схемы содержат множество транзисторов и электронных компонентов, соединенных проводниками. Связь между ИС и печатными платами традиционно выполняются из заранее изготовленных металлических проводников, которые подсоединяют к контактной площадке на чипе.

«ИС требуют многочисленных проволочных соединений. Их реализация занимает много времени, что увеличивает стоимость», - говорит проф. Минь-Фен Ю (Min-Feng Yu).

Вдобавок контактная площадка при традиционных проволочных соединениях занимает значительную площадь. Многие электронные устройства являются намного меньшими, чем требуемая площадка 50 х 50 мкм, которая затрудняет уменьшение размеров в целом.

«Не существует недорогой эффективной технологии, которая позволяла бы соединять микроструктуры с помощью проволок, - говорит проф. Ю. – Так давайте откажемся от этих проволок, а взамен будем прямо формировать их на месте между точками соединения».

Проф. Ю и аспирант Цзе Ху (Jie Hu) разработали технику прямой печати, которая формирует тонкие проводники из чистого металла много меньшего диаметра, чем традиционные, и которые требуют на два порядка величины меньшей контактной площади.

Ученые продемонстрировали свою технику на медных и платиновых проводах. Они заполнили микропипетки медным электролитом. Когда пипетки приходят в близкий контакт с поверхностью, между концом пипетки и контактной площадкой образуется «жидкий» мост. Затем прикладывается напряжение, которое вызывает осаждение меди из раствора в виде твердого металла. По мере того как пипетка перемещается, медь продолжает осаждаться подобно чернилу из ручки, образуя провод. Проблема заключалась в определении скорости перемещения пипетки для образования жидкого моста и провода.

Вдобавок к проволочным соединениям техника может применяться для производства мириад металлических микроконструкций для различных приложений.

Исследователи приближаются к созданию сверхвысокоплотных магнитооптических устройств хранения данных, способных вместить более 6 Пб на диск диаметром 5 дюймов, что в 70 раз превышает всю библиотеку Конгресса США. При этом такой громадный объем ограничивается требованием достаточно быстрой записи. Ученые из университета им. Сунь Ят-Сена, Китай, продемонстрировали эту возможность, применив сверхбыстрое перемагничивание с поддержкой лазера (http://jap.aip.org/resource/1/japiau/v108/i2/p023902_s1?isAuthorized=no).

Техника использует так называемую спектроскопию с временным разрешением на основе полярного эффекта Керра (time-resolved polar Kerr spectroscopy), скомбинированную с переменным магнитным полем достаточно сильным, чтобы привести в исходное состояние тонкую пленку гадолиний-железо-кобальт (GdFeCo).

Тяньшу Лай (Tianshu Lai) с коллегами показал, что перемагничивание может выполняться в субнаносекудной временной шкале, следствием чего может быть создание магнитооптических устройств хранения следующего поколения, которые смогут не только осуществлять запись с высокой плотностью, но и со сверхбольшими скоростями – вплоть до ГГц. Такая скорость по крайней мере в тридцать раз выше, чем у современных жестких дисков.

Магнитная запись с поддержкой лазера было продемонстрирована в субпикосекундной временной шкале при насыщающем внешнем магнитном поле. «Мы обнаружили, что скорость перемагничивания пропорциональна внешнему магнитному полю, - сказал Лай. – И реальная термомагнитная запись выполнялась в течение от нескольких десятков до сотен пикосекунд, когда мы прикладывали магнитное поле меньшее, чем коэрцитивность пленки».

В основе таких приложений, как квантовые криптография, вычисления и телепортация, лежит удивительное явление, известное как зацепление (иногда говорят запутывание). Два фотона находятся в зацепленном состоянии, если свойства одного зависят от свойств другого независимо от разделяющего их расстояния. Обычно это происходит вследствие их взаимодействия, когда они описываются одной ψ-функцией.

Команда из Лаборатории фотоники и наноструктур французского Национального центра научных исследований (CNRS) разработали новый источник зацепленных фотонов, который в 20 раз ярче существующих систем. Это устройство способно значительно увеличить скорость квантовых коммуникаций и является ключевым элементом будущей квантовой логики.

Обычно исследователи используют источники зацепленных пар фотонов, которые легко реализуемы (например, с помощью лазера), но с очень низкой яркостью (примерно один импульс из 100 генерирует пару зацепленных фотонов), что существенно ограничивает возможности квантовых телекоммуникаций. Вдобавок, размеры таких источников не позволяют встраивать их в микросистемы.

Исследователи из CNRS изобрели новую «фотонную молекулу», в которой квантовая точка в полупроводнике излучает пару зацепленных фотонов в ответ на импульс возбуждения. Новый источник работает с интенсивностью одна пара на каждые восемь импульсов.

Устройство может лечь в основу электролюминесцентных диодов, излучающих зацепленные пары фотонов с частотой около 1 ГГц.

Д-р Йон Ши (Yong Shi), профессор Департамента инженерной механики Стивенсовского технологического института, занимается исследованиями в области технологий миниатюрных источников питания, которые могли бы использоваться в беспроводной электронике, портативных устройствах и имплантируемых биосенсорах. Концепция включает пьезоэлектрические генераторы на базе нанопроволок и нановолокон, которые могут питать такие устройства, преобразуя механическую энергию в электрическую. Д-р Ши использует пьезоэлектрический наногенератор на базе нановолокон PZT (сокращенная химическая формула свинцово-циркониевого титаната (lead zirconium titanate).

Нановолокна PZT размещаются на чередующихся электродах из тонких платиновых проводов и упаковываются с помощью мягкого полимера на кремниевой подложке. Получаемые выходные напряжения и мощность при периодическом приложении давления к мягкому полимеру были 1,63 В и 0,03 мкВт соответственно.

Это достижение в исследованиях пьезоэлектрических нановолокон обладает значительным потенциалом, который позволяет использовать новую технологическую разработку в различных областях науки и техники.

«Одно из основных ограничений для активной имплантации биомедицинских устройств заключается в том, что они питаются от батареек. Это значит, что они должны периодически либо подзаряжаться, либо заменяться. Группа д-ра Ши продемонстрировала технологию, которая позволит имплантируемым устройствам использовать механическую энергию тока крови или перистальтики ЖКТ, чтобы питать имплантированные биомедицинские устройства, - сказал д-р Артур Риттер (Arthur Ritter), директор департамента биомедицинских разработок при Стивенсовском технологическом институте. – Факт, что его технология базируется на наноструктурах, делает возможным создавать блоки питания для нанороботов, которые могут находиться в кровотоке продолжительное время и передавать диагностические данные, брать образцы для биопсии и/или посылать изображения внешним базам данных для последующего анализа».

Ученые делают определенные успехи в создании наносхем на графене, наиболее многообещающем кандидате для замены кремния как строительного блока транзисторов. Они разработали простой и быстрый процесс, основанный на термохимической нанолитографии (TCNL) для получения нанопроволок, настраивая электронные свойства восстановленного окисла графена и тем самым достигая возможности переключать его из состояния изолятора в проводник. Техника применима ко многим формам графена и может стать важным открытием для развития графеновой электроники.

Ученые, работающие над созданием наносхем, особое внимание уделяют графену, поскольку он обладает намного меньшим сопротивлением, чем кремний. Еще одним преимуществом графена является его толщина, составляющая всего один атомный слой углерода. Хотя графеновая наноэлектроника может быть быстрее и менее энергоемкая, никто до недавнего времени не знал, как производить графеновые наноструктуры в промышленных объемах.

«Мы показали, что при локальном нагревании изолирующего окисла графена, как хлопьев, так и эпитаксиальных форм, зондом атомно-силового микроскопа, мы можем формировать нанопроволоки размером до 12 нм. И мы можем регулировать их электрические свойства проводимости до четырех порядков величины. Мы не увидели следов износа зонда», - сказала Элиза Риедо (Elisa Riedo), адъюнкт-профессор Школы физики при Институте технологии штата Джорджия.

В макрошкале проводимость окисла графена может изменяться от изолятора до проводящего графеноподобного материала с применением больших печей. Теперь команда исследователей использовала TCNL, чтобы увеличить температуру восстановления окисла графена в наношкале с тем, чтобы стало возможным получать графеноподобные наносхемы. Они обнаружили, что при температуре 130 °С восстановленный окисел графена увеличивает проводимость.

«Вся прелесть заключается в том, что мы разработали простую, надежную и репродуцируемую технику, которая позволяет переключать изолятор в проводник. Эти свойства – признак продуктивности технологии», - заявил Поль Шиан (Poul Sheehan), глава Секции изучения поверхности и сенсорной технологии при Исследовательской лаборатории ВМС США в Вашингтоне.

В технике, известной как термохимическая нанолитография, зонд атомно-силового микроскопа использует тепло для превращения окисла графена в восстановленный окисел графена, вещество, которое может использоваться для производства наносхем и нанопроволок с контролируемой проводимостью.

Инновации в современных информационных технологиях во многом определяются развитием высокоплотной быстрой энергонезависимой памяти с низким электропотреблением.

Резистивная память с произвольным доступом (resistance-switching random access memory, RRAM) рассматривается как перспективная в этом контексте по сравнению с DRAM и флэш-памятью, которые снижают производительность при приближении к предельным технологическим нормам. RRAM имеет преимущество не только в производительности и простоте производства, но и в том, что может быть реализована на трехмерных ячейках, что существенно повышает ее плотность. Массив памяти типа кроссовой матрицы, в которой материал с изменяемым сопротивлением размещается между шинами слов и бит, является наиболее обещающей структурой.

Однако глубоко параллельная геометрия массива требует реализации определенного устройства выбора, чтобы предотвратить проблемы помех, вызванных операцией чтения. Соединяя диод Шоттки с каждым элементом с изменяемым сопротивлением может быть решением этой проблемы. Диод в рассматриваемом случае будет требовать очень высокого коэффициента выпрямления тока и очень низкого прямого сопротивления вдобавок к низкой температуре изготовления (< 400 °C), которая необходима, чтобы не разрушить материал.

Исследовательская группа проф. Cheol Seong Hwang из Сеульского национального университета использовала современные технологии осаждения атомного слоя для изготовления оксидного диода типа Шоттки, составленного из многослойной структуры Pt/TiO2/Ti. Слой TiO2 действует как полупроводник n-типа с широкой запрещенной зоной, так что граница контакта Ti/TiO2 составляет электронный инжектирующий переход, тогда как граница TiO2/Pt работает как запирающий переход.

Исследователи из Университета Исландии, Университета Кельна и Института Фраунгофера в Йене продемонстрировали чисто оптическое усиление в плазмонном волноводе.

Результат представляет важное достижение в области плазмоники. Оптическое усиление является единственной реальной стратегией для распространение света на большие расстояния, когда он ограничен плазмонным режимом. Достижение макроскопических расстояний распространения волн в поверхностной плазме является важным для многих приложений рождающейся плазмонной технологии, от компактных коммуникационных устройств и оптических вычислений до исследования клеток, вирусов и даже отдельных молекул.

Исследования в плазмонике, относительно новой области оптики, привлекли внимание в последнее десятилетие. Этот интерес в основном стимулирован фактом, что поверхностные плазмоны, распространяющиеся на границе между металлом и диэлектриком, позволяют ограничить оптическую энергию до объемов, которые значительно меньше, чем достижимые с помощью традиционных диэлектрических волноводов, таких как оптоволокно.

Кроме чисто фундаментального интереса, сконцентрированная оптическая энергия может быть использована как нанозонд для измерений в области физики твердого тела, химии и биологии. Однако в обычных условиях оптическая энергия распространяется в плазмонных волноводах на очень короткие расстояния и поглощается за счет омических потерь в металле.

Хотя применяя специальные конструкции можно до некоторой степени увеличить полезную длину плазмонных волноводов, широко принято мнение, что проблему можно полностью решить с помощью механизма, который непрерывно усиливает свет по мере его распространения вдоль волновода.

Однако встраивание такого плазмонного усиления является сложной задачей. Команда исследователей из Университета Исландии, Гарвардкого университета, Университета Кельна и Института Фраунгофера разработала структуру, которая обеспечивает достаточное усиление, чтобы преодолеть свойственное плазмонному волноводу поглощение. Фактически оптического усиления достаточно для обеспечения прохождения света вдоль волновода. Исследователи использовали структуру, содержащую ультратонкую золотую фольгу, которая встраивалась во флуоресцентный полимер, оптически накачанный лазерным источником. Структура разрабатывалась, чтобы служить каналом для света, генерируемого флуоресцентным полимером, в плазмонный волновод. По мере того как плазмонная волна распространялась вдоль волновода, ее интенсивность увеличивалась стимулированным излучением флуоресцентного полимера.

«Ключевым достижением нашей работы явилось то, что мы нашли способ встроить плазмонный волновод в усиливающий флуоресцентный полимер, практически без нарушения свойств волновода», - объяснил Малте Гатер (Malte Gather), один из исследователей.