Для связи в космосе требуются самые чувствительные приемники для максимального охвата, а также операции с высокой скоростью передачи данных. Новую концепцию связи на основе лазерного луча с использованием почти бесшумного оптического предусилителя в приемнике недавно продемонстрировали исследователи из Технологического университета Чалмерса, Швеция.

В новой статье, опубликованной в научном журнале Nature: Light Science & Applications, группа исследователей описывает систему оптической передачи в свободном пространстве, основанную на оптическом усилителе, который, в принципе, не добавляет лишних шумов - в отличие от всех остальных других ранее существовавших оптических усилителей, называемых фазочувствительными усилителями (PSA). Новая концепция исследователей демонстрирует беспрецедентную чувствительность приемника - всего один фотон на информационный бит при скорости передачи данных 10 Гб/с.

«Наши результаты показывают жизнеспособность этого нового подхода к расширению охвата и скорости передачи данных в каналах дальней космической связи. Таким образом, они также обещает помочь преодолеть нынешнее узкое место, связанное с возвратом данных в полете в дальний космос, от которого космические агентства по всему миру страдают до сегодняшнего дня», - говорит профессор Питер Андрексон (Peter Andrekson), руководитель исследовательской группы и автор статьи совместно с доктором Равикираном Какарла (Ravikiran Kakarla) и старшим научным сотрудником Йохеном Шредером (Jochen Schröder) с факультета микротехнологии и нанонауки Технологического университета Чалмерса.

Существенное увеличение охвата и скорости передачи информации для будущих высокоскоростных линий связи будет иметь большие последствия для таких технологий, как межспутниковая связь, миссии в дальний космос и мониторинг Земли с обнаружением света и дальностью (Lidar). В системах для таких высокоскоростных соединений все чаще используются оптические лазерные лучи, а не радиочастотное излучение. Основная причина этого заключается в том, что потери мощности при распространении луча существенно меньше на длинах волн света, так как уменьшается расходимость луча.

Тем не менее, на больших расстояниях световые лучи также испытывают большие потери. Например, лазерный луч, посланный с Земли на Луну - около 400 000 километров - с размером апертуры 10 см, потеряет мощность около 80 дБ, что означает, что останется только 1 часть из 100 миллионов. Поскольку передаваемая мощность ограничена, критически важно иметь приемники, которые могут восстанавливать отправленную информацию с максимально низкой принимаемой мощностью. Эта чувствительность количественно определяется как минимальное количество фотонов на информационный бит, необходимое для восстановления данных без ошибок.

В новой концепции информация кодируется в сигнальную волну, которая вместе с волной накачки на другой частоте генерирует сопряженную волну (известную как холостой ход) в нелинейной среде. Эти три волны вместе запускаются в свободное пространство. В точке приема после захвата света оптическим волокном PSA усиливает сигнал, используя регенерированную волну накачки. Затем усиленный сигнал обнаруживается обычным приемником.

«Этот подход принципиально приводит к наилучшей возможной чувствительности любого оптического приемника с предварительным усилением, а также превосходит все другие современные технологии приемников», - говорит Питер Андрексон.

В системе используется простой формат модуляции, кодированный стандартным кодом исправления ошибок, и когерентный приемник с цифровой обработкой сигнала для восстановления сигнала. При необходимости этот метод легко масштабируется до гораздо более высоких скоростей передачи данных. Он также работает при комнатной температуре, что означает, что его можно использовать в космических терминалах, а не только на земле.

Экспериментальная установка, используемая в лаборатории для имитации канала передачи данных в дальний космос

Складные телевизоры высокой четкости или складные смартфоны скоро перестанут быть недоступными предметами роскоши, которыми можно любоваться на международных выставках электроники.

Высокопроизводительные органические транзисторы являются ключевым компонентом для механически гибких электронных схем, необходимых для этих приложений. Однако обычные горизонтальные органические тонкопленочные транзисторы работают очень медленно из-за скачкообразного переноса в органических полупроводниках, поэтому их нельзя использовать для приложений, требующих высоких частот. Специально для логических схем с низким энергопотреблением, таких как те, которые используются для радиочастотной идентификации (RFID), необходимо разработать транзисторы, обеспечивающие высокую рабочую частоту, а также регулируемые характеристики устройства (то есть пороговое напряжение). Исследовательская группа «Органические устройства и системы» (ODS) Дрезденского интегрированного центра прикладной фотофизики (IAPP) Института прикладной физики, возглавляемая доктором Хансом Клеманном (Hans Kleemann), теперь преуспела в реализации таких новых органических устройств.

«До сих пор вертикальные органические транзисторы были лабораторными диковинками, которые считались слишком сложными для интеграции в электронную схему. Однако, как показано в нашей публикации, вертикальные органические транзисторы с двумя независимыми управляющими электродами идеально подходят для реализации сложной логики схем, сохраняя при этом главное преимущество вертикальных транзисторных устройств, а именно высокую частоту коммутации», - говорит д-р Ханс Клеманн.

Вертикальные органические транзисторы с двумя независимыми управляющими электродами характеризуются высокой частотой переключения (несколько наносекунд) и регулируемым пороговым напряжением. Благодаря этим разработкам даже отдельные транзисторы могут использоваться для представления различных логических состояний (И, НЕ, И-НЕ). Кроме того, регулируемое пороговое напряжение обеспечивает целостность сигнала (запас шума) и низкое энергопотребление.

Этим исследовательская группа установила веху в видении гибкой и пригодной для печати электроники. В будущем эти транзисторы могут позволить реализовать даже сложные электронные функции, такие как беспроводная связь (RFID) или гибкие дисплеи с высоким разрешением, полностью с органическими компонентами, что позволит полностью отказаться от электронных компонентов на основе кремния.

Команде доктора Ханса Клеманна впервые удалось разработать мощные вертикальные органические транзисторы с двумя независимыми управляющими электродами

Квантовая технология подает большие надежды: ожидается, что всего через несколько лет квантовые компьютеры произведут революцию в поиске в базах данных, системах ИИ и вычислительном моделировании. Ключевым преимуществом будет максимально возможная совместимость с современной кремниевой электроникой. И именно здесь физики из Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) и TU Dresden добились значительного прогресса: команда разработала кремниевый источник света для генерации одиночных фотонов, которые хорошо распространяются в стеклянных волокнах.

Квантовая технология основана на способности максимально точно контролировать поведение квантовых частиц, например, запирая отдельные атомы в магнитных ловушках или посылая фотоны через стеклянные волокна. Последнее является основой квантовой криптографии, метода связи, который, в принципе, защищен от касания: любой потенциальный похититель данных, перехватывающий фотоны, неизбежно разрушает их квантовые свойства. Отправители и получатели сообщения заметят это и могут вовремя остановить скомпрометированную передачу.

Для этого требуются источники света, доставляющие одиночные фотоны. Такие системы уже существуют, особенно на основе алмазов, но у них есть один недостаток: «Эти алмазные источники могут генерировать фотоны только на частотах, которые не подходят для передачи по оптоволокну, - объясняет физик HZDR доктор Георгий Астахов. - Это является существенным ограничением для практического использования». Поэтому Астахов и его команда решили использовать другой материал - проверенный временем кремний.

Чтобы заставить материал генерировать инфракрасные фотоны, необходимые для оптоволоконной связи, эксперты подвергли его специальной обработке, избирательно вводя углерод в кремний с помощью ускорителя в Центре ионных лучей HZDR. Это создало в материале так называемые G-центры - два соседних атома углерода, соединенные с атомом кремния, образующие своего рода искусственный атом.

При облучении красным лазерным светом этот искусственный атом излучает желаемые инфракрасные фотоны на длине волны 1,3 микрометра, что идеально подходит для оптоволоконной передачи. «Наш прототип может производить 100 000 одиночных фотонов в секунду, - сообщает Астахов. - И это стабильно. Даже после нескольких дней непрерывной работы мы не наблюдаем никакого ухудшения». Однако система работает только в экстремально холодных условиях - физики используют жидкий гелий, чтобы охладить ее до температуры - 268° С.

«Мы впервые смогли показать, что однофотонный источник на основе кремния возможен, - сообщил коллега Астахова доктор Йондер Беренсен (Yonder Berencén). - Это в основном позволяет интегрировать такие источники с другими оптическими компонентами на кристалле». Среди прочего, было бы интересно соединить новый источник света с резонатором, чтобы решить проблему, заключающуюся в том, что инфракрасные фотоны в основном выходят из источника случайным образом. Однако для использования в квантовой связи необходимо генерировать фотоны по запросу.

Этот резонатор может быть настроен так, чтобы точно соответствовать длине волны источника света, что позволит увеличить количество генерируемых фотонов до такой степени, что они доступны в любой момент времени. «Уже доказано, что такие резонаторы могут быть построены из кремния, - сообщает Беренсен. - Недостающим звеном был кремниевый источник одиночных фотонов. И это именно то, что мы теперь смогли создать».

Но прежде чем они смогут рассмотреть практическое применение, исследователи HZDR все еще должны решить некоторые проблемы, такие как более систематическое производство новых телекоммуникационных однофотонных источников.

Схематическое изображение одиночного дефекта в кремниевой пластине, созданного имплантацией атомов углерода, который испускает одиночные фотоны в телекоммуникационном O-диапазоне (диапазон длин волн: от 1260 до 1360 нм), подключенной к оптическому волокну

Сверхпроводники могут передавать электричество без потерь. Это позволит уменьшить производство электроэнергии, снизив как затраты, так и выбросы парниковых газов. К сожалению, необходимо глубокое охлаждение, потому что существующие сверхпроводники теряют свое сопротивление только при чрезвычайно низких температурах. В журнале Angewandte Chemie представлены новые данные о сероводороде в форме H(3)S и его дейтериевом аналоге D(3)S, которые становятся сверхпроводящими при относительно высоких температурах: -77 и -107° C, соответственно.

Это лучше даже по сравнению с нынешними лидерами - медьсодержащей керамикой с температурой перехода, начинающейся примерно с -135° C. Несмотря на обширные исследования систем сера/водород, остается много вопросов. Что наиболее важно, сверхпроводящий сероводород ранее производился из «нормального» сероводорода H(2)S, который переводился в металлоподобное состояние с составом H(3)S под давлением около 150 ГПа. Такие образцы неизбежно были загрязнены примесями, обедненными водородом, что могло исказить экспериментальные результаты. Чтобы избежать этого, исследователи под руководством Василия С. Минкова теперь получили стехиометрический H(3)S путем непосредственного нагрева элементарной серы с избытком водорода (H(2)) с помощью лазера под давлением. Также были изготовлены образцы из дейтерия (D(2)) - изотопа водорода.

Причиной относительно высокой температуры перехода H(3)S являются его атомы водорода, которые резонируют с особенно высокой частотой внутри кристаллической решетки. Поскольку атомы дейтерия тяжелее водорода, они резонируют медленнее, поэтому для D(3)S ожидались более низкие температуры перехода. Команда из Института химии Макса Планка (Майнц, Германия), Чикагского университета (США) и Центра ядерных исследований Soreq (Явне, Израиль) использовала различные аналитические методы для уточнения фазовых диаграмм H(3)S и D(3)S в зависимости от давления и температуры, и пролить дополнительный свет на их сверхпроводящие свойства.

При давлениях от 111 до 132 ГПа и температурах от 400 до 700° C в результате синтеза были получены неметаллические, электрически изолирующие структуры (фазы Cccm), которые не превращаются в металл при дальнейшем охлаждении или повышении давления. Они содержат звенья H(2) (или D(2)) в кристаллической структуре, которые подавляют сверхпроводимость. Желаемые сверхпроводящие структуры, кубические фазы Im-3m, были получены синтезом выше 150 ГПа при температуре от 1200 до 1700° C. Они металлические и блестящие, с низким электрическим сопротивлением. При давлении от 148 до 170 ГПа образцы Im-3m-H(3)S имели температуру перехода около -77° C. Аналоги D(3) S имели температуру перехода около -107° C при 157 ГПа, что значительно выше, чем ожидалось. Снижение давления обратимо приводит к резкому снижению температуры перехода и потере металлических свойств. Это вызвано ромбоэдрическими искажениями кристаллической структуры (фаза R3m). Нагревание под давлением необратимо превращает фазу R3m в фазу Cccm. Очевидно, что R3m является метастабильной промежуточной фазой, которая возникает только во время разложения.

В будущем исследователи надеются найти другие богатые водородом соединения, которые можно превратить в металлы без высоких давлений и стать сверхпроводящими при комнатной температуре.

Сверхпроводимость в сероводороде

Будущие беспроводные сети 6-го поколения (6G) будут состоять из множества небольших радиоячеек, которые необходимо соединить широкополосными линиями связи. В этом контексте беспроводная передача на терагерцовых частотах представляет собой особенно привлекательное и гибкое решение. Исследователи из Технологического института Карлсруэ (KIT) разработали новую концепцию недорогих терагерцовых приемников, которые состоят из одного диода в сочетании со специальной технологией обработки сигналов. В эксперименте команда продемонстрировала передачу со скоростью 115 Гбит/с и несущей частотой 0,3 ТГц на расстояние 110 метров. Результаты опубликованы в Nature Photonics.

За 5G последует 6G: шестое поколение мобильной связи обещает еще более высокие скорости передачи данных, меньшую задержку и значительно увеличенную плотность оконечных устройств, используя ИИ для управления устройствами или автономными транспортными средствами в эпоху Интернета вещей. «Чтобы одновременно обслуживать как можно больше пользователей и передавать данные с максимальной скоростью, будущие беспроводные сети будут состоять из большого количества небольших радиоячеек», - объясняет проф. Кристиан Коос (Christian Koos), который работает над технологиями 6G в KIT вместе со своим коллегой проф. Себастьяном Ранделом (Sebastian Randel). Между этими радиоячейками короткие расстояния, так что можно передавать данные на высоких скоростях с минимальным потреблением энергии и низким уровнем электромагнитного излучения. Соответствующие базовые станции будут компактными, и их можно будет легко установить на фасады зданий или уличные фонари.

Чтобы сформировать мощную и гибкую сеть, эти базовые станции должны быть соединены высокоскоростными беспроводными линиями, которые обеспечивают скорость передачи данных в десятки или даже сотни гигабит в секунду. Это может быть достигнуто с помощью несущих терагерцовых волн, которые занимают частотный диапазон между микроволнами и инфракрасными световыми волнами. Однако приемники терагерцового диапазона по-прежнему довольно сложны и дороги и часто представляют собой узкое место полосы пропускания всего канала. В сотрудничестве с Virginia Diodes (VDI) в Шарлоттсвилле, США, исследователи из Института фотоники и квантовой электроники (IPQ), Института технологии микроструктуры (IMT) и Института физики пучка и технологии (IBPT) продемонстрировали особенно простой недорогой приемник терагерцовых сигналов.

«По своей сути приемник состоит из одного диода, который выпрямляет терагерцовый сигнал», - говорит д-р Тобиас Хартер (Tobias Harter), который проводил демонстрацию вместе со своим коллегой Кристофом Фюльнером (Christoph Füllner) в рамках своей докторской диссертации. Диод представляет собой так называемый диод с барьером Шоттки, который обеспечивает большую полосу пропускания и используется в качестве детектора огибающей для восстановления амплитуды терагерцового сигнала. Однако для правильного декодирования данных дополнительно требуется зависящая от времени фаза терагерцовой волны, которая обычно теряется во время выпрямления. Чтобы решить эту проблему, исследователи используют методы цифровой обработки сигналов в сочетании с особым классом сигналов данных, для которых фаза может быть восстановлена по амплитуде с помощью так называемых соотношений Крамерса-Кронига. Отношение Крамерса-Кронига описывает математическую связь между действительной и мнимой частью аналитического сигнала. Используя концепцию своего приемника, ученые достигли скорости передачи 115 Гбит/с на несущей частоте 0,3 ТГц на расстоянии 110 м. «Это самая высокая скорость передачи данных, продемонстрированная для беспроводной передачи терагерцового диапазона на расстояние более 100 м», - говорит Фюльнер. Приемник терагерцового диапазона, разработанный KIT, выделяется своей технической простотой и подходит для рентабельного массового производства.

Будущая мобильная сеть: небольшие радиоячейки (оранжевый) соединены беспроводными высокоскоростными терагерцовыми линиями (зеленый)

Квантовые биты, или кубиты, теперь могут хранить квантовую информацию намного дольше благодаря усилиям международной исследовательской группы. Исследователи увеличили время удерживания, или время когерентности, до 10 миллисекунд - в 10000 раз больше, чем предыдущий рекорд, - объединив орбитальное движение и вращение внутри атома. Такое усиление удержания информации имеет серьезные последствия для развития информационных технологий, поскольку более длительное время когерентности делает спин-орбитальные кубиты идеальным кандидатом для создания больших квантовых компьютеров.

«Мы определили спин-орбитальный кубит, используя заряженную частицу, которая выглядит как дырка, захваченная атомом примеси в кристалле кремния, - сказал ведущий автор д-р Такаши Кобаяши (Takashi Kobayashi), научный сотрудник Сиднейского университета Нового Южного Уэльса и доцент в Университете Тохоку. - Орбитальное движение и вращение дырки тесно связаны и заблокированы вместе. Это напоминает пару зацепляющихся шестерен, в которых круговое движение и вращение сцеплены вместе».

Кубиты были закодированы с помощью орбитального движения заряженной частицы, что дает различные преимущества, которые очень востребованы при создании квантовых компьютеров. Чтобы использовать преимущества кубитов, д-р Кобаяши и его команда специально использовали экзотическую «дырку» для заряженных частиц в кремнии, чтобы определить кубит, поскольку орбитальное движение и вращение дырок в кремнии связаны вместе.

По словам д-ра Кобаяши, спин-орбитальные кубиты, закодированные дырками, особенно чувствительны к электрическим полям, что обеспечивает более быстрое управление и способствует увеличению масштабов квантовых компьютеров. Однако на кубиты влияет электрический шум, что ограничивает время их когерентности.

«Мы разработали чувствительность к электрическому полю нашего спин-орбитального кубита, растягивая кристалл кремния, как резиновую ленту, - сказал д-р Кобаяши. - Эта механическая инженерия спин-орбитального кубита позволяет нам значительно увеличить время его когерентности, сохраняя при этом умеренную электрическую чувствительность для управления спин-орбитальным кубитом».

«Эти результаты открывают путь для разработки новых искусственных квантовых систем и улучшения функциональности и масштабируемости спиновых квантовых технологий», - сказал д-р Кобаяши.

Добавление шума для усиления слабого сигнала - это обычное явление в животном мире, но необычное для датчиков, созданных руками человека. Теперь исследователи из Пенсильванского университета добавили небольшое количество фонового шума для усиления очень слабых сигналов в источнике света, слишком тусклом для восприятия.

В отличие от большинства датчиков, для которых шум необходимо подавлять, они обнаружили, что добавление только нужного количества фонового шума может фактически увеличить сигнал, слишком слабый для восприятия обычными датчиками, до уровня, который может достичь обнаруживаемости.

Хотя их датчик, основанный на двумерном материале, называемом дисульфидом молибдена, обнаруживает свет, тот же принцип может быть использован для обнаружения других сигналов, а поскольку он требует очень мало энергии и места по сравнению с обычными датчиками, может найти широкую адаптацию в ближайшем будущем. Интернет вещей (IoT). развернет десятки миллионов датчиков для мониторинга условий в доме и на фабриках, а низкое энергопотребление станет сильным бонусом.

«Это явление часто наблюдается в природе, - говорит Саптарши Дас (Saptarshi Das), доцент кафедры инженерных наук и механики. - Например, веслонос, живущий в илистых водах, не может фактически найти себе пищу, которая представляет собой фитопланктон, называемый дафниями, на вид. У веслоноса есть электрорецепторы, которые могут улавливать очень слабый электрический сигнал от дафний на расстоянии до 50 метров. Если вы добавьте немного шума, он может найти дафний на 75 или даже 100 метрах. Эта способность способствует эволюционному успеху этого животного».

Другой интересный пример – жуки златки, которые могут обнаружить лесной пожар на расстоянии 50 миль. Самый продвинутый инфракрасный детектор может обнаруживать его только на расстоянии от 10 до 20 миль. Это происходит из-за явления стохастического резонанса, которое используют эти насекомые.

«Стохастический резонанс - это явление, когда слабый сигнал, который ниже порога обнаружения датчика, может быть обнаружен в присутствии конечного и подходящего количества шума», - говорит Ахил Додда (Akhil Dodda), аспирант кафедры инженерных наук и механики, первый автор новой статьи, опубликованной в Nature Communications.

В своей статье исследователи демонстрируют первое использование этой техники для обнаружения подпорогового фотонного сигнала.

Рассматривается одно возможное использование для войск в бою. Военнослужащие в полевых условиях уже несут очень громоздкое снаряжение. Невозможно добавить тяжелое энергоемкое оборудование, необходимое для усиления подпорогового сигнала. Их техника также применима в средах с ограниченными ресурсами или под водой, где люди хотят отслеживать очень слабые сигналы. Датчик также можно использовать в вулканических районах или для своевременного мониторинга землетрясений, чтобы подать сигнал тревоги.

«Кто бы мог подумать, что шум может играть конструктивную роль в обнаружении сигналов? Мы бросили вызов традиции обнаруживать иным образом необнаруживаемые сигналы с минимальным потреблением энергии. Это может открыть двери в совершенно неизведанную и игнорируемую область обнаружения сигналов с усилением шума», - сказал Аарян Оберой (Aaryan Oberoi), аспирант кафедры инженерных наук и механики и соавтор статьи.

Их следующий шаг - продемонстрировать эту технику на кремниевом фотодиоде, что сделает устройство очень масштабируемым. По словам доц. Даса, с помощью этой концепции можно улучшить любой современный датчик.

В течение многих лет исследователи стремились узнать больше о группе оксидов металлов, которые обещают стать ключевыми материалами для следующего поколения литий-ионных аккумуляторов из-за их загадочной способности накапливать значительно больше энергии, чем считалось возможным. Международная исследовательская группа под руководством Техасского университета в Остине взломала код этой научной аномалии, разрушив барьер на пути создания сверхбыстрых аккумуляторных систем хранения энергии.

Команда обнаружила, что эти оксиды металлов обладают уникальными способами хранения энергии за пределами классических электрохимических механизмов хранения. Исследование, опубликованное в журнале Nature Materials, обнаружило несколько типов соединений металлов, способных до трех раз больше накапливать энергию по сравнению с материалами, которые используются в сегодняшних коммерчески доступных литий-ионных батареях.

Расшифровывая эту загадку, исследователи помогают разблокировать аккумуляторы с большей энергоемкостью. Это может означать более компактные и более мощные источники, способные быстро заряжать все, от смартфонов до электромобилей.

«В течение почти двух десятилетий исследовательское сообщество было озадачено аномально высокими характеристиками этих материалов, превышающими их теоретические пределы, - сказал Гуйхуа Юй (Guihua Yu), доцент кафедры машиностроения Уолкера инженерной школы Кокрелла и один из лидеров проекта. - Эта работа демонстрирует самое первое экспериментальное свидетельство, показывающее, что дополнительный заряд физически хранится внутри этих материалов с помощью механизма хранения пространственного заряда».

Чтобы продемонстрировать это явление, команда нашла способ отслеживать и измерять, как элементы меняются с течением времени.

В основе открытия - оксиды переходных металлов, которые представляют собой соединения, содержащие кислород, связанный с переходными металлами, такими как железо, никель и цинк. Энергия может храниться внутри оксидов металлов - в отличие от типичных методов, при которых ионы лития перемещаются внутрь и из этих материалов или преобразуют их кристаллические структуры для хранения энергии. И исследователи показывают, что дополнительная зарядовая емкость также может храниться на поверхности наночастиц железа, образованных в ходе ряда обычных электрохимических процессов.

Согласно исследованию, широкий спектр переходных металлов может раскрыть эту дополнительную способность, и их объединяет общая черта - способность собирать электроны с высокой плотностью. Доц. Юй сказал, что эти материалы еще не готовы к выпуску в прайм-тайм, в первую очередь из-за незнания о них. Но исследователи заявили, что эти новые открытия должны пролить свет на потенциал этих материалов.

Ключевой метод, используемый в этом исследовании, названный in situ магнитометрией, представляет собой метод магнитного мониторинга в реальном времени для исследования эволюции внутренней электронной структуры материала. Он может количественно оценить емкость заряда, измеряя вариации магнетизма. Этот метод можно использовать для изучения накопления заряда в очень небольшом масштабе, который выходит за рамки возможностей многих традиционных инструментов определения характеристик.

«Наиболее значимые результаты были получены с помощью метода, который обычно используется физиками, но очень редко в сообществе производителей аккумуляторов, - сказал Юй.- Это отличная демонстрация прекрасного союза физики и электрохимии».

Новаторы из Университета Пердью надеются, что их новая технология поможет превратить бумажные листы из записной книжки в интерфейс музыкального плеера и сделать упаковку для еды интерактивной.

Инженеры разработали простой процесс печати, который превращает любую бумажную или картонную упаковку в клавиатуру, клавишную панель или другие простые в использовании человеко-машинные интерфейсы.

«Это первая демонстрация бумажного электронного устройства с автономным питанием, - сказал Рамзес Мартинес (Ramses Martinez), доцент Школы промышленной инженерии Пердью и Школы биомедицинской инженерии Велдона инженерного колледжа Пердью. - Мы разработали метод, позволяющий сделать бумагу отталкивающей для воды, масла и пыли, покрывая ее высокофторированными молекулами. Это омнифобное покрытие позволяет нам печатать несколько слоев схем на бумаге, не позволяя чернила размазываться от одного слоя к другому».

Мартинес сказал, что это нововведение облегчает изготовление датчиков вертикального давления, для которых не требуется никаких внешних аккумуляторов, поскольку они получают энергию от контакта с пользователем.

Эта технология совместима с традиционными крупномасштабными процессами печати и может быть легко реализована для быстрого преобразования обычной картонной упаковки или бумаги в интеллектуальную упаковку или интеллектуальный интерфейс человек-машина.

«Я предполагаю, что эта технология будет способствовать взаимодействию пользователя с упаковкой пищевых продуктов, проверять, безопасна ли еда для употребления, или позволять пользователям подписывать посылку, которая приходит домой, проводя пальцем по коробке, чтобы правильно идентифицировать себя как владельца пакета, - сказал Мартинес. - Кроме того, наша группа продемонстрировала, что простые листы бумаги из записной книжки могут быть преобразованы в интерфейсы музыкального проигрывателя, чтобы пользователи могли выбирать песни, воспроизводить их и изменять громкость».

Видео, демонстрирующие эту технологию, доступны на https://youtu.be/TfA0d8IpjWU, https://youtu.be/J0iCxjicJIQ и https://youtu.be/c9E6vXYtIw0.

Фотонные интегральные схемы, которые используют свет вместо электричества для вычислений и обработки сигналов, обещают большую скорость, увеличенную полосу пропускания и большую энергоэффективность, чем традиционные схемы, использующие электричество.

Но они еще не достаточно малы, чтобы конкурировать в вычислительной технике и других приложениях, где электрические цепи продолжают преобладать.

Инженеры-электрики из Университета Рочестера считают, что они сделали важный шаг в решении этой проблемы. Используя широко применяемый исследователями фотоники материал, команда из Рочестера создала самый маленький электрооптический модулятор на сегодняшний день. Модулятор - ключевой компонент фотонного чипа, управляющий движением света по его схемам.

В Nature Communications лаборатория профессора электротехники и вычислительной техники Цян Линя (Qiang Lin) описывает использование тонкой пленки ниобата лития (LN), прикрепленной к слою диоксида кремния, для создания не только самого маленького LN-модулятора, но и такого, который энергоэффективен и работает на высокой скорости.

Это «закладывает решающий фундамент для реализации крупномасштабных фотонных интегральных схем LN, которые имеют огромное значение для широких приложений в области передачи данных, микроволновой фотоники и квантовой фотоники», - пишет ведущий автор Минсяо Ли (Mingxiao Li), аспирант в лаборатории Линя.

По словам Линь, благодаря своим выдающимся электрооптическим и нелинейно-оптическим свойствам ниобат лития «стал рабочей лошадкой в системе материалов для исследований и разработок в области фотоники». Однако современные фотонные устройства LN, созданные на основе объемного кристалла или тонкопленочной платформы, требуют больших размеров и их трудно уменьшить, что ограничивает эффективность модуляции, потребление энергии и степень интеграции схемы. Основная проблема заключается в создание высококачественных наноскопических фотонных структур с высокой точностью. Проект модулятора основан на предыдущем использовании в лаборатории ниобата лития для создания фотонного нанорезонатора - еще одного ключевого компонента фотонных чипов. Имея размер всего около микрона, нанорезонатор может настраивать длину волны, используя всего два-три фотона при комнатной температуре - «впервые мы знаем о том, что даже два или три фотона были обработаны таким образом при комнатной температуре», - говорит Линь. Модулятор можно использовать вместе с нанополостью при создании фотонного чипа в наномасштабе.

На схематическом чертеже показан электрооптический модулятор, разработанный в лаборатории Цян Линя, профессора электротехники и вычислительной техники. Самый маленький из таких компонентов из когда-либо созданных, он использует преимущества ниобата лития, материала «рабочей лошадки», используемого исследователями для создания передовых фотонных интегральных схем