Группа инженеров и прикладных физиков из Гарвардского университета под руководством Федерико Капассо (Federico Capasso) продемонстрировала первый работающий при комнатной температуре терагерцевый полупроводниковый лазер с электрической накачкой. Это достижение, базирующееся на коммерчески доступных нанотехнологиях, возможно, станет стандартом для изготовления терагерцевых лазеров для использования службами безопасности и для химического считывания.

Задача создания лазеров в терагерцевом диапазоне частот с длинами волн от 30 до 300 Å, пригодных для практического применения, стоит уже давно. В частности, основной проблемой было изготовление терагерцевого полупроводникового лазера с электрической накачкой и термоэлектрическим охлаждением, работающего при комнатных температурах. Ранее подобные устройства требовали для охлаждения криогенных систем, что существенно ограничивало их повседневное применение.

Продемонстрированное устройство имеет мощность несколько сотен нановатт при комнатной температуре и микроватты при температурах, легко достижимых с коммерчески доступными термоэлектрическими системами охлаждения.

Для достижения успешных результатов и преодоления температурных ограничений исследователи сконструировали квантовый каскадный лазер в среднем ИК-диапазоне, который одновременно излучает свет на двух частотах. Терагерцевое излучение с частотой 5 ТГц получалось с помощью генерации разностной частоты внутри лазера при комнатной температуре.

Отметим, что квантовые каскадные лазеры, излучающие в среднем ИК-диапазоне, были изобретены и продемонстрированы Федерико Капассо и его командой в Bell Labs еще в 1994 г.

Исследователи из Siemens Corporate Research добились успеха в передаче данных со скоростью 100 Мб/с с использованием видимого света. Технология может найти применение в качестве дополнительной к современным беспроводным радиосетям.

В качестве передатчика служил белый светодиод со схемой цифровой модуляции, а приемником - фотодетектор. Передача осуществлялась на дистанцию 1 м в лабораторных условиях. Технические детали фотодиода, фотодетектора и модулятора компания не предоставила.

Поскольку для передачи данных необходима прямая видимость, то такая технология не может служить заменой существующим беспроводным радиотехнологиям, но может быть хорошим дополнением для домашних беспроводных сетей. Для достижения взаимной видимости двухстандартные приемопередатчики могут монтироваться, к примеру, в потолочную люстру.

Иранские физики открыли любопытное явление – вращение пленки жидкости под действием приложенного к ней напряжения и внешнего электрического поля, значения которых превышают некоторый порог. Эксперимент, схема которого приведена на рисунке, заключался в следующем.

В специально вырезанное прямоугольное отверстие помещается пленка воды, в которой растворено небольшое количество глицерина и поверхностно-активного вещества. Это делается для того, чтобы получить устойчивую и тонкую (вплоть до нанометров) пленку. На медные электроды, расположенные по бокам системы, подается напряжение V. Пленка помещается между пластинами конденсатора (на рисунке отсутствует) и таким образом находится в электрическом поле напряженностью Е.

Если прикладываемые V и Е превышают некоторые пороговые значения V_th и Е_th, пленка начинает вращаться. Скорость и направления вращения пленки можно изменять, увеличивая или уменьшая значения V и Е, но не выходя за пороговые.

Было также установлено, что угловая скорость вращения пленки пропорциональна векторному произведению плотности тока j и напряженности электрического поля E .

Естественно возникает вопрос о механизме вращения жидкости – ведь пленка не содержит магнитных примесей. Авторы полагают, что он обусловлен дипольным характером строения молекулы воды. Эксперименты с другими полярными жидкостями (анилин, хлорбензол и др.) также показывают вращение пленки, тогда как у жидкостей с неполярными молекулами этот эффект отсутствует.

Тем не менее убедительной теоретической модели, способной объяснить это явление, у авторов пока нет.

Исследователи из Греции сделали важный шаг на пути создания практических оптоэлектронных устройств с использованием поляритонов – квазичастиц, с помощью которых может быть описано, как свет взаимодействует с полупроводниками и другими материалами. Эта квазичастица «состоит» из двух различных сущностей: пары электрон—дырка, или экситона, и фотона, который излучается при рекомбинации пары. Излученный фотон создает другой экситон, и цикл повторяется. Такой продолжающийся обмен энергией между фотонами и экситонами может быть описан в терминах поляритонных состояний.

Так вот, Павлос Савидис (Pavlos Savvidis) из Критского университета с коллегами сделал диоды из арсенида галлия, которые излучают свет прямо из таких поляритонных состояний при температуре 235 К, которая только на 60 К ниже комнатной. Таким образом, это первое поляритонной устройство на базе арсенида галлия, работающее при почти комнатной температуре.

Исследователи изготовили свой светодиод с помощью молекулярно-лучевой эпитаксии – стандартной техники при создании арсенид-галлиевых устройств. Фотоны захватывались тонкими микрополостями, которые создавались между двумя зеркалами Брэгга (структуры, образующие зеркала из микрополостей) с высокими коэффициентами отражения. Экситоны захватывались в квантовые колодцы, которые для усиления их связи с фотонами располагались на двух концах микрополости. Наконец, внизу и вверху устройства крепились электроды, которые инжектировали соответственно электроны и дырки.

Поляритонные устройства могут найти применение при создании поляритонных лазеров, светодиодов, усилителей, коммутаторов и поляризационных модуляторов. Чрезвычайно интересная особенность поляритонного лазера заключается в том, что когерентное излучение генерируется на единственном нижайшем состоянии системы на дне поляритонной ловушки. Здесь образуется конденсат Бозе—Эйнштейна из поляритонов, что не требует инверсии заселенности, как в традиционных твердотельных лазерах, так что порог генерации лазера уменьшается на несколько порядков.

Если поместить тонкую стальную линейку между двумя упорами, расстояние между которыми несколько меньше ее длины, то она выгнется. При приложении к середине линейки некоторой силы изгиб поменяет направление.

Этот принцип положен в основу разработанного японским исследователями устройства механической памяти на нанопроволоках. Оно содержит нанопроволоку длиной 100 нм, зажатую на концах, вогнутость которой изменяется посредством напряжения, прикладываемого к ней и одному из электродов, расположенных с двух ее сторон.

Теоретически устройство может хранить один бит без потребления энергии, хотя показанный прототип требует довольно большого напряжения для переключения. Такая память, будучи устойчивой к радиации, может найти себе применение в космических приложениях.

Устройство, которое может изготавливаться при помощи электронно-лучевой литографии и техники травления, можно сравнить с памятью на углеродных нанотрубках. Принцип такой же, но память на нанопроволоках легче в производстве.

Органические транзисторы и светодиоды изучаются достаточно давно, а вот об органической памяти, которая является важнейшим компонентом электронных устройств, известно намного меньше. Французским исследователям удалось на базе пентацена и золотых наночастиц изготовить устройство, в котором объединены ячейка памяти и транзистор.

Следует заметить, что ученые и раньше создавали память из металлических наночастиц, встроенных в органические материалы. Такие устройства состоят из вертикальной структуры, в которой активный слой – органический полупроводник, содержащий металлические наночастицы, – служит начинкой сэндвича, образованного двумя электродами. Однако проблема в данном случае заключалась в том, что эффект переключения определялся формированием и распадом наночастиц, а не зарядом и разрядом.

Группа ученых из Университета г. Лилль преодолели эту проблему, сделав трехмерный транзистор, в котором наночастицы, действующие как квантовые точки, управляются третьим электродом (затвором). Именно он и формирует электрическое состояние устройства.

Идея заключалась в том, чтобы фиксировать наночастицы в канале сток— исток устройства с помощью классических методов химии поверхности. Исследователи использовали самособирающиеся органические монослои, которые выполняли функции электродов сток--исток и поверхности диэлектрика затвора. Затем с помощью вакуумной возгонки они покрыли наночастицы пентаценом, хорошо известным органическим полупроводником.

Сохранение и стирание электрических зарядов выполнялось с помощью импульса напряжения, прикладываемого к затвору. Когда наночастицы были заряжены, ток стока изменялся.

Компоненты, сочетающие органические память и транзистор, могут быть использованы для создания недорогой электроники. Они могут упростить ячейки памяти, поскольку не требуют удержания заряда в емкостях.

Группа продолжает работу над улучшением характеристик устройства.

Согласно математическим расчетам, полученным исследователями из Техасского Университета, двухслойный графен может демонстрировать эффект сверхтекучести при комнатной температуре. Если это подтвердится экспериментально, то такой материал может быть использован для получения в будущем электронных устройств с низкой диссипацией энергии и даже продлить выполнение закона Мура еще на 10 лет.

Сверхпроводимость наблюдается в различных системах, включая обычные и высокотемпературные сверхпроводники. Однако «бездиссипативные» потоки встречаются только при очень низких температурах. При температуре выше некоторой критической диссипация возобновляется.

В то же время для электронных приложений необходимы материалы с высоким значением критической температуры. И многие физики считают, что их создание может привести ко второй индустриальной революции. Материалы со сверхтекучестью могут быть использованы для внутренних соединений в транзисторах, что позволит им за счет коллективного поведения электронов работать при напряжении на затворе ниже тепловой энергии. Такие устройства будут потреблять намного меньше энергии.

Ученые из Тель-авивского Университета объявили, что ими найден способ производства фотогальванических ячеек, стоимость которых в сто раз меньше, а эффективность не хуже, чем обычных кремниевых.

Реактивным элементом устройства, заявка на патент которого уже подана, являются генетически измененные протеины, использующие фотосинтез для производства электрической энергии.

Для создания устройства были применены генная инженерия и нанотехнологии. Хотя использование фотосинтеза для фотогальванических приложений само по себе и не ново, специфика разработки заключается в том, что это первая практически полезная фотогальваническая ячейка на его базе. Заметим, что типичные кремниевые фотоэлементы имеют КПД порядка 12-14%, тогда как предлагаемые протеиновые – около 25%.

Устройство базируется на генетически модифицированной сухой протеиновой фотосистеме I (proteins photosystem I, PS I), инкапсулированной в твердотельный субстрат из металла внизу и прозрачный электрод вверху. Ученые заявили, что PS I генерирует стабильное разделение зарядов в течение 200 нс в протеиновой цепочке длиной 6 нм, что создает напряжение 1 В с квантовым выходом 1 и коэффициентом преобразования энергии 47%.

Знание, какую силу необходимо приложить, чтобы вытянуть один материал из другого, является существенным во многих производствах. До сегодняшнего дня не существовало подобных испытаний, чтобы использовать их для наноструктур.

Теперь исследователи из Университета Пердью точно измерили силы, требуемые для отслаивания тонких нанотрубок из материалов, создав возможный стандарт для нанопроизводства. Гибкие углеродные нанотрубки приклеиваются к поверхностям не так, как структуры больших масштабов вследствие сил притяжения между индивидуальными атомами (силы Ван-дер-Ваальса).  Эти силы весьма значимы в наномасштабе, поскольку на расстоянии 1 нм размещается около 10 атомов.

Энергия отслаивания пропорциональна энергии границ раздела нанотрубки, которая является мерой степени приклеивания материалов. В то же время правильная интеграция высокопрочных нанотрубок с полимерами для производства композитных материалов требует знания, как нанотрубки приклеиваются к полимеру и друг к другу.

Для измерения силы отслаивания был использован атомно-силовой микроскоп. Нанотрубка присоединялась к концу кантилевера микроскопа, и когда она отслаивалась от поверхности, кантилевер изгибался. Изгибающий момент отслеживался с помощью лазера, выявляя силу отслаивания.

Исследователи из IBM изготовили самый тонкий к настоящему времени нанофотонный коммутатор. Предполагается, что устройство позволит осуществлять оптическую связь между компонентами чипа. Эта работа рассматривается как еще один шаг вперед, позволяющий построить ультракомпактные фотонные устройства и полностью оптические вычислители.

Новое устройство сделано из кремниевых нанопроволок и базируется на периодической структуре, которая содержит пять связанных резонаторов из оптических волноводов. Такая структура имеет фотонную запрещенную зону, через которую свет с длинами волн одного диапазона проходит полностью, тогда как для другого – отражается.

Переключение происходит за счет изменения оптических свойств одного из резонаторов, вследствие чего прохождение света определенной длины волны запрещается, и он отражается.  Время переключения  составляет менее 2 нс, а частота  появления ошибочных битов ниже чем 10^–12.

Потенциальные приложения такого устройства включают создание оптической сети в чипах многоядерных процессоров. Используя для связи между ядрами свет вместо электронов, можно построить процессор с огромными возможностями по повышению производительности, правда, это связано с множеством трудностей.