Интернациональная группа исследователей из Университета Саутгемптона (Великобритания), Национального тайваньского университета и CSIC (Мадрид) объявила, что сконструировала первый настраиваемый нанометровый источник света. Свет создается с помощью пучка электронов, проходящего через тонкую апертуру, высверленную в стеке чередующихся слоев золота и двуокиси кремния. Взаимодействие между электронным пучком и чередующимися слоями генерирует видимый и инфракрасный свет.

Устройство напоминает лазер на свободных электронах, в котором пучок электронов проходит через изменяющееся магнитное поле, вызывающего их колебания, что приводит к испусканию света.

Команда изготовила «световую скважину посредством осаждения чередующихся слоев золота и двуокиси кремния толщиной 200 нм на кремниевой подложке, а потом направила сфокусированный пучок ионов, «высверливший» в стеке металл-диэлектрик отверстие диаметром 700 нм.

В качестве источника пучка электронов был использован электронный микроскоп. При прохождении электронов через апертуру благодаря зеркальному заряду слоях золота образовывались диполи. Присутствие слоев с различной диэлектрической постоянной вызывали колебания диполей, что приводило к эмиссии света.

При изменении энергии пучка от 20 до 40 кэВ диапазон длин волн изменялся от красного участка спектра до близкого инфракрасного. По мнению Кевина Макдоналда (Kevin MacDonald) из Университета Саутгемптона, регулируя структуру периодичности слоев, можно получить спектр от ультрафиолета до терагерцевой области.

Правда, эффективность процесса генерации света очень низка – только 2—4 фотона на 100 тыс. инжектируемых электронов. Однако посредством изменения геометрии колодца, композиции материалов и режима накачки она может быть существенно повышена.

Совместные разработки исследователей из Аризонского государственного университета и Технического университета Эйндховена (Голландия) могут привести к созданию нанометровых лазеров, использование которых увеличит производительность компьютеров и скорость доступа к Интернету.

Команде удалось преодолеть ограничения на минимальный размер лазера. Если сегодня лазеры используются в коммуникационных сетях, то в случае создания коммерческого продукта по новой технологии они смогут применяться для передачи данных в компьютере.

Минимальный размер лазеров в каком-либо одном измерении (например, толщине) ограничен половиной волны излучаемого света. В телекоммуникациях используется свет с длиной волны 1500 нм, поэтому теоретически нельзя изготовить лазер менее 750 нм для этих коммуникаций.

В более плотных оптических средах, таких как полупроводники, этот предел уменьшается на множитель, равный коэффициенту преломления. В случае используемых полупроводников он равен ~ 3, поэтому размер лазера может быть уменьшен до 250 нм.

Это предел называется дифракционным и присущ всем волновым процессам. Одним из способов его преодоления является использование комбинации полупроводников и металлов, таких как золото и серебро. Оказывается, что возбужденные в металлах электроны могут помочь ограничить длину волны света в лазере меньше дифракционного предела.

Ученым удалось добиться такого эффекта с помощью структуры металл-полупроводник-металл, в которой полупроводник толщиной 80 нм был помещен между двумя слоями диэлектрика толщиной 20 нм, а вся конструкция – между двумя слоями металла. Такая структура работала как лазер, однако только при низких температурах. Теперь группа работает над тем, чтобы повторить результат при комнатных температурах.

Нанометровые лазеры могут быть использованы в широком круге приложений, но наиболее привлекательными являются коммуникации и компьютерные компоненты.

Исследователи из Японии впервые показали, что фотонами можно манипулировать на поверхности трехмерного фотонного кристалла – искусственной наноструктуры для света – так же, как и внутри него. Открытие может привести к созданию фотонных цепей, высокочувствительных сенсоров и инновационных фотонных наноустройств.

Фотонные кристаллы можно представить как наноструктурный материал, в котором периодическое (в пространстве) изменение некоторых свойств (обычно диэлектрической проницаемости) приводит к возникновению фотонных энергетических щелей, которые влияют на распространение фотонов в материале. Эффект подобен тому, как периодический потенциал в полупроводниках формирует разрешенные и запрещенные энергетические зоны. В случае фотонных кристаллов фотоны с энергией меньшей ширины запрещенной зоны не могут распространяться через кристалл. Это позволяет управлять и манипулировать потоком света, вводя тщательно подобранные дефекты.

Вплоть до недавнего времени исследователи могли манипулировать фотонами только внутри таких кристаллов, вводя дефекты в его объем, но Сусуму Нода (Susumu Noda) и Кенджи Ишидзаки (Kenji Ishizaki) из Киотского университета обнаружили, что фотонами можно манипулировать и на поверхности такого кристалла. Эффект открывает новые легко реализуемые способы манипулирования фотонами и может привести к использованию фотонных кристаллов для управления светом в оптических цепях.

Нода и Ишидзаки показали, что трехмерные фотонные кристаллы обладают поверхностными состояниями, и фотоны могут ограничиваться и распространяться вдоль таких состояний. Далее исследователи продемонстрировали, что фотоны могут быть локализованы в желаемых точках поверхности с помощью формирования зон на поверхности и введения дефектов поверхности.

Вследствие того, что поверхность фотонного кристалла не поглощает свет, кристалл может быть использован как новый тип сенсора для определения присутствия химических или биоматериалов по изменению коэффициента преломления системы нанокаверн. Другие применения включают создание улучшенных фотонных цепей и новых нанофотонных устройств, таких как светодиоды и солнечные элементы.

Ученые из Оксфорда создали прозрачную форму алюминия, бомбардируя металл мягким рентгеновским излучением, полученным с помощью самого мощного в мире лазера. В сообщении, опубликованном в журнале Nature Physics, указано, что короткие импульсы лазера FLASH выбили внутренний электрон из каждого атома алюминия образца без разрушения кристаллической решетки. Это сделало алюминий практически прозрачным для крайнего ультрафиолетового излучения.

«Вещество с полученными физическими свойствами может образовываться внутри больших планет, - сказал профессор Джастин Уорк (Justin Wark) из департамента физики Оксфордского университета, - и мы надеемся, что его изучение поможет нам лучше понять, что происходит во время образования «миниатюрных звезд», создаваемых высокомощными лазерными импульсами, с помощью которых можно будет осуществить реакцию ядерного синтеза на Земле».

Открытие стало возможным благодаря разработке нового источника излучения – лазера FLASH, генерирующего очень короткие импульсы мягкого рентгеновского излучения, мощность которых превышает мощность электростанции, обеспечивающей электричеством целый город.

Излучение лазера было сфокусировано в область, размеры которой в двадцать раз меньше площади сечения человеческого волоса. При такой интенсивности алюминий стал прозрачным. Хотя этот эффект длился очень короткое время – всего около 40 фемтосекунд, опыт показал, что столь экзотическое состояние материи может быть создано с помощью очень мощного источника рентгеновских лучей.

«Что особенно замечательно в этом эксперименте, - добавляет проф. Уорк, - так это то, что мы превратили обычный алюминий в новый материал за один шаг, используя очень мощный лазер. В течение короткого отрезка времени образец выглядел и вел себя как новая форма материи. В некотором отношении результат был таким, как если бы мы изменили каждый атом алюминия: это почти столь же неожиданно, как обнаружить, что вы можете превратить свинец в золото с помощью света».

Успех флэш-памяти очевиден. Сфера ее применения обширна. Однако, как считает д-р Грация Талларида (Grazia Tallarida) из Национальной лаборатории MDM близ Милана, это не повод не искать альтернативные технологии: «Уменьшать размеры этих устройств и делать их более емкими становится все труднее и труднее. Поэтому сегодня проводятся интенсивные исследования в поисках других технологий для энергонезависимой памяти».

Одной из наиболее обещающих является память на материалах с изменяемой фазой. Однако она требует приложения напряжения к ячейкам для их переключения.

В своем варианте исследователи предлагают поместить тонкий массив ячеек памяти, изготовленных из окисла никеля, между двумя наборами параллельных проводников, расположенных друг относительно друга под прямыми углами, что позволяет приложить напряжение к каждой ячейке. Такое расположение известно как кроссовая матрица. Правда, при этом возникает проблема – близко расположенные ячейки могут порождать помехи и снижать производительность памяти. Решение нашли в том, чтобы подсоединять каждую ячейку через диод. По словам Грации Таллариды, основная проблема заключается не в изучении самих ячеек памяти, а в кроссовой матрице и диодах, которые необходимы для построения такого устройства.

Хотя конструкция является потенциально простой и дешевой, массив ячеек памяти лежит поверх другой схемы, что ограничивает температуру производственного процесса не выше 350° С. Это исключает использование кремниевых диодов, которые требуют более высоких температур для их изготовления.

Взамен кремниевых были разработаны диоды на базе окиси цинка, материала, который обычно не используется в КМОП-технологиях, но для которого достаточно около 100° С.

К настоящему времени был сконструирован прототип из 10 тыс. ячеек, каждая размером 5 мкм. В каждой ячейке мог храниться один бит. С помощью компьютерной симуляции было показано, что массив из 100 млн ячеек (около 12 МБ) может быть интегрирован в одном чипе с помощью имеющейся технологии.

Большим преимуществом кроссовой архитектуры является возможность простой укладки массивов в стек, что позволяет получать устройства большой емкости. Недавно команда изготовила экспериментальный массив из 25 ячеек, каждая размером 100 нм.

Исследователи из Федерального института технологии (ETH, Цюрих, Швейцария) создали оптический транзистор на одной молекуле. Это приблизило их на один шаг к созданию оптического компьютера.

Стремясь преодолеть ограничения кремниевых транзисторов, ученые уже давно пытаются найти способы изготовления интегрированных схем на базе фотонов. Смысл здесь в том, что фотоны не только генерируют тепла меньше, чем электроны, но и позволят значительно повысить скорость передачи данных.

Хотя сегодня большая часть телекоммуникационных сетей базируется на оптической передаче сигналов, их обработка приводит к необходимости использовать электронно-управляемые коммутаторы. До компактного оптического транзистора предстоит еще пройти длинный путь.

Идея создания оптического транзистора на одной молекуле состоит в том, чтобы использовать дискретный характер ее уровней энергии: если освещать молекулу, которая находится в основном состоянии лазерным лучом, то свет поглощается. Как следствие, он ослабляется. И наоборот, поглощенную энергию можно освободить, воздействуя на молекулу вторым лазерным лучом. Этот эффект известен как индуцированное излучение и описан Альбертом Эйнштейном около 90 лет назад.

Усиление света в лазере обусловлено огромным количеством молекул, которые при переходе из возбужденного состояния в основное излучают свет практически одновременно. Сфокусировав луч лазера на одной молекуле, ученые из ЕТН смогли вызвать индуцированное излучение только у одной молекулы. Им помог тот факт, что при низких температурах молекулы как бы увеличивают свою эффективную поверхность для взаимодействия со светом. При охлаждении молекулы до – 272° С эффективная поверхность приблизительно соответствует диаметру сфокусированного лазерного луча.

Используя один лазерный луч для перевода молекулы в возбужденное состояние, ученые смогли значительно ослаблять или усиливать второй лазерный луч. Такой режим работы идентичен работе обычного транзистора, в котором для модуляции выходного сигнала используется напряжение.

Исследователи сконструировали светоизлучающий транзистор, который установил новый рекорд частоты модуляции света – 4,3 ГГц, превысив более чем в два раза предыдущий – 1,7 ГГц, принадлежавший светодиоду. Не остановившись на этом, они соединили внутри базу и коллектор, создав новую форму светодиода с частотой модуляции 7 ГГц.

Частота модуляции светодиода и светоизлучающего транзистора ограничивается скоростью рекомбинации электронов и дырок. При медленном процессе рекомбинации частота модуляции светодиода не превышает обычно 1,7 ГГц, что соответствует времени жизни носителей 100 пикосекунд. Более 40 лет ученые думали, что преодолеть 100-пикосекундный барьер невозможно.

Достичь времени рекомбинации менее 100 пс в светодиодах не удается вследствие одинаковой концентрации электронов и дырок, инжектируемых в активную зону для сохранения нейтральности. Заряды как бы выстраиваются в очередь для рекомбинации. Чтобы уменьшить время рекомбинации в светодиодах, необходимо крайне высокий уровень инжекции и очень высокая концентрация зарядов. Однако эти условия не являются необходимыми в транзисторах.

В отличие от диода транзистор не хранит заряды. Они доставляются в активную зону квантовых ям транзистора, где либо почти мгновенно рекомбинируют, либо покидают устройство. Заряды не становятся в очередь в ожидании рекомбинации с противоположно заряженными двойниками.

Чтобы увеличить частоту модуляции своих светоизлучающих транзисторов, исследователи уменьшили размеры эмиттера, увеличили так называемую толщину коллектора и использовали специальный дизайн внутреннего общего коллектора. Эти изменения позволили повысить частоту сигнала при очень низком уровне тока и диссипации тепла.

«Быстрый» рекомбинационный процесс позволил получить частоту модуляции света 4,3 ГГц, что соответствует времени жизни зарядов 37 пс. «В светоизлучающем транзисторе третий электрод, коллектор, эффективно «отклоняет» заряды и удаляет носители с большим временем рекомбинации, - говорит Ник Холоньяк (Nick Holonyak), профессор Иллинойского университета. – В противоположность «скоплению» зарядов в обычном диоде, условия динамического «отклонения» потока зарядов в базе транзистора управляется коллектором на фоне конкуренции с процессами рекомбинации в базе. Если заряд не рекомбинирует и не излучает фотон достаточно быстро, он «выметается» током коллектора».

Предотвращая накопление «медленных» зарядов в базе, «быстрая» пикосекундная рекомбинационная динамика также обеспечивает основу для получения из светоизлучающего транзистора нового типа светодиодов путем внутреннего перемонтажа.

На проходящей в Портленде (штат Орегон) конференции Supercomputing 09 IBM анонсировала существенный прогресс в создании вычислительной системы, которая симулирует и эмулирует способность мозга чувствовать, воспринимать, действовать, взаимодействовать и познавать, и при этом сравнима с мозгом по низкому энергопотреблению и размеру.

Команда по компьютерному моделированию процессов познания, возглавляемая IBM Research, достигла значительных успехов в крупномасштабной симуляции коры головного мозга и создании нового алгоритма, который синтезирует нейрологические данные – два краеугольных камня, которые указывают на осуществимость создания когнитивного чипа.

Ученые из IBM Research в сотрудничестве с коллегами из Лоуренсовской Национальной лаборатории выполнили первую практически в режиме реального времени симуляцию деятельности головного мозга. Модель превышает по размеру кору кошки и содержит 1 млрд импульсных нейронов и 10 трлн. индивидуальных обучающихся синапсов.

Дополнительно, в сотрудничестве с исследователями из Стэнфордского университета ученые из IBM разработали алгоритм, который использует суперкомпьютерную архитектуру Blue Gene для неинвазивного измерения и отображения связей между всеми кортикальными и подкорковыми локусами в человеческом мозге при помощи диффузной спектральной томографии. Отображение диаграммы связей мозга является крайне важным для распутывания его сложной коммуникационной сети и понимания, как он представляет и обрабатывает информацию.

Эти достижения предоставят уникальную возможность для изучения вычислительной динамики мозга и приблизят команду к поставленной цели – построению компактного синаптронного чипа, используя нанотехнологии и достижения в области памяти с изменением фазы и магнитного туннельного перехода. Выполненная работа может разрушить парадигму фон-неймановский вычислений.

Для того чтобы осуществить первую симуляцию деятельности коры головного мозга, превышающего по размеру кору кошки, почти в режиме реального времени, команда построила симулятор коры, который вобрал в себя ряд инноваций из области компьютерной памяти, коммуникаций, а также тонкие биологические детали из нейрофизиологии и нейроанатомии. Этот научный инструмент, близкий по сложности к линейному ускорителю или электронному микроскопу, является особенно важным для проверки гипотез о структуре мозга, его динамике и функции.

Алгоритм совместно с кортикальным симулятором позволил ученым проводить эксперименты с различными математическими гипотезами относительно структуры и функции мозга.

Современные вычисления базируются на модели хранимой программы, которая традиционно реализуется в цифровых синхронных последовательных централизованных схемах общего назначения с явной адресацией памяти, что без разбора перезаписывает данные и создает границу между вычислениями и данными. В отличие от этого когнитивные вычисления – подобные тем, что выполняет мозг, - будут использовать повторяемые вычислительные блоки, нейроны и синапсы, которые реализуются в смешанных аналого-цифровых асинхронных параллельных распределенных медленных реконфигурируемых специализированных и отказоустойчивых биологических субстратах с неявной адресацией памяти, которая обновляется только в случае изменения информации, размывая границы между вычислениями и данными.

Исследование, выполненное в Университете Örebro в Швеции, показывает, что мобильные и беспроводные телефоны оказывают биологический эффект на мозг. Правда, еще слишком рано говорить, что присутствует какой-либо риск для здоровья, но исследователь-медик Фредрик Себерквист (Fredrik Söberqvist) рекомендует быть осторожными, особенно детям и подросткам. Мало кто из детей, кто регулярно пользуется мобильными телефонами, используют наушники.

«Дети могут быть гораздо чувствительнее, чем взрослые, к излучению беспроводных телефонов», - говорит Фредрик Себерквист.

Он исследовал использование мобильных и беспроводных телефонов среди детей и подростков и связь с проблемами здоровья, которые могут быть вызваны этим.

Затем он изучил образцы крови у взрослых по двум биомаркерам, чтобы увидеть, оказывает ли использование беспроводных телефонов биологический эффект на мозг. Одно из этих изучений исследовало протеины, которые существуют в так называемом гематоликворном барьере, который является частью защитной системы мозга от внешних воздействий. Изучение обнаружило связь между использованием беспроводных телефонов и увеличением содержания протеинового транстиретина в крови.

Фредрик Себерквист говорит, что это увеличение не должно вызывать проблем, но оно все же указывает, что микроволны фактически оказывают действие на мозг, что может привести к еще не известному влиянию на наше здоровье.

Исследование также показало, что сами пользователи испытывают проблемы со здоровьем, которые могут быть вызваны беспроводными телефонами. Дети и подростки, которые регулярно пользуются беспроводными телефонами, чаще жалуются на различные симптомы и оценивают свое здоровье ниже тех, кто не пользуется ими регулярно. 

Ученый говорит, нельзя сделать какие-либо определенные выводы о причинах этого на основе его изучения, но считает, что необходимо безотлагательно проверить наличие какой-либо связи. К тому же эффект может проявиться в будущем.

Размещение большого количества фотографий, музыки и других данных на кремниевых чипах флэш-памяти и мобильных терминалов чем-то сродни утрамбовке клубники в картонном пакете: чем плотнее упаковка, тем быстрее она станет негодной. При записи 10-100 Гб данных на 1 кв. дюйм современной памяти их сохранность оценивается длительностью от 10 до 30 лет.

В то же время книга первой всеанглийской государственной переписи населения, выполненного по повелению Вильгельма Завоевателя в 1086 (Так называемая Книга Судного Дня), которая написана на пергаменте, выжила 900 лет, но среда, использованная для ее цифровой версии, сделанной в 1986 г., разрушилась в течение 20 лет.

Алекс Цеттл (Alex Zettl) с сотрудниками из Лоуренсовской Национальной лаборатории описали экспериментальное устройство памяти, состоящее из наночастиц железа, заключенных в полую углеродную нанотрубку. При приложении напряжения наночастицы могут быть перемещены вперед или назад с большой точностью.

Это создает систему программируемой памяти, в которую, как и в кремниевую, можно записать данные в цифровой форме и воспроизвести их с помощью традиционных компьютерных средств. В теоретических и лабораторных исследованиях было показано, что устройство имеет емкость до 1 ТБ на 1 кв. дюйм и может хранить данные свыше 1 млрд. лет.