Физики из Университета Суссекса создали алгоритм, который увеличивает скорость вычислений в первых квантовых компьютерах, которые разрабатываются в настоящее время. Они создали новый способ направления движения ионов, чтобы повысить эффективность вычислений.
Команда из Суссекса показала, как вычисления в таком квантовом компьютере могут быть выполнены наиболее эффективно с использованием их нового «алгоритма маршрутизации».
Команда, работающая над этим проектом, возглавлялась профессором Винфридом Хенсингером (Winfried Hensinger) и включала Марка Уэббера (Mark Webber), д-ра Стивена Герберта (Steven Herbert) и д-ра Себастьяна Уайдта (Sebastian Weidt). Ученые создали новый алгоритм, который регулирует трафик в квантовом компьютере точно так же, как управление движением в оживленном городе. В конструкции с захваченными ионами кубиты могут физически перемещаться на большие расстояния, поэтому они могут легко взаимодействовать с другими кубитами. Их новый алгоритм означает, что данные могут проходить в квантовом компьютере без каких-либо «пробок». Это, в свою очередь, дает начало более мощному квантовому компьютеру.
Конкретная архитектура квантового компьютера, которую команда проанализировала первой, представляет собой квантовый компьютер с «захваченными ионами», состоящий из кремниевых микрочипов с отдельными заряженными атомами или ионами, левитирующими над поверхностью чипа. Эти ионы используются для хранения данных, где каждый ион содержит один квантовый бит информации. Выполнение вычислений на таком квантовом компьютере включает перемещение ионов, аналогично игре Pac-Man, и чем быстрее и эффективнее можно перемещать данные (ионы), тем мощнее будет квантовый компьютер.
В глобальной гонке за создание крупномасштабного квантового компьютера есть два ведущих метода: сверхпроводящие устройства, на которых сосредоточены такие группы, как IBM и Google, и устройства «захваченных ионов», которые используются группой Ion Quantum Technology Университета Суссекса, и недавно созданная компания Universal Quantum, среди прочих.
У сверхпроводящих квантовых компьютеров есть стационарные кубиты, которые обычно могут взаимодействовать только с кубитами, находящимися непосредственно рядом друг с другом. Расчеты с участием далеких кубитов выполняются посредством связи через цепочку смежных кубитов, процесс похож на телефонную игру (также называемую «китайским шепотом»), когда информация передается шепотом от одного человека к другому по очереди. Так же, как и в телефонной игре, чем длиннее цепочка, тем больше искажается информация. Действительно, исследователи обнаружили, что этот процесс ограничит вычислительную мощность сверхпроводящих квантовых компьютеров.
Напротив, развернув свой новый алгоритм маршрутизации для архитектуры захваченных ионов, ученые из Суссекса обнаружили, что их подход к квантовым вычислениям позволяет достичь впечатляющего уровня вычислительной мощности. «Quantum Volume» - это новый тест, который используется для сравнения вычислительной мощности квантовых компьютеров в ближайшем будущем. Ученые смогли использовать Quantum Volume для сравнения своей архитектуры с моделью для сверхпроводящих кубитов, в которой они предполагали одинаковые уровни ошибок для обоих подходов. Они обнаружили, что подход с захваченными ионами работает стабильно лучше, чем подход со сверхпроводящими кубитами, потому что их алгоритм маршрутизации по существу позволяет кубитам напрямую взаимодействовать с большим количеством кубитов, что, в свою очередь, приводит к более высокой ожидаемой вычислительной мощности.
Марк Уэббер, доктор наук из Центра квантовых технологий Суссекса при Университете Суссекса, сказал: «Теперь мы можем прогнозировать вычислительную мощность создаваемых нами квантовых компьютеров. Наше исследование указывает на фундаментальное преимущество устройств с захваченными ионами, а новый алгоритм маршрутизации позволит нам максимально повысить производительность первых квантовых компьютеров».
Визуальное изображение алгоритма, используемого для увеличения вычислительной мощности ранних квантовых компьютеров
Исследователь Роман Хартунг (Roman Hartung), выступающий под ником “der8auer”, опубликовал весьма небезынтересное исследование по вопросу сравнений технологий производства чипов. Он очень подробно узучил чипы выпущенные с использованием процессов Intel 14 нм и TSMC 7 нм.
Как известно, на данный момент лучшим производственным процессом Intel, доступным для пользователей настольных ПК, является их 14-нм узел, в частности вариант 14 нм +++. Он имеет несколько улучшений, позволяющих достичь более высоких частот и обеспечить более быстрое переключение затвора. При этом если его сравнить с лучшим процессором AMD серии Ryzen 3000, основанным на архитектуре Zen 2, который построен на 7-нм узле TSMC, можно подумать, что AMD имеет явное преимущество. Ну, это только на первый взгляд так. Роман Хартунг в прямом смысле разобрал процессор Intel Core i9-10900K и сравнил его с AMD Ryzen 9 3950X, используя растровый электронный микроскопом (SEM).
Чтобы получить как можно более честное сравнение, исследователь использовал срез компонента кеш-памяти L2 обоих процессоров, поскольку они обычно являются лучшими представителями узла. Это происходит потому, что логическая часть микросхемы различается в зависимости от архитектуры; следовательно, для честного сравнения используется кэш второго уровня - его дизайн гораздо более стандартизирован.
Каковы же результаты? Итак, 14-нм чип Intel имеет транзисторы с шириной затвора 24 нм, а 7-нм чип AMD/TSMC имеет ширину затвора 22 нм (высота затвора также довольно похожа). Хотя они не сильно отличаются, узел TSMC по-прежнему намного плотнее по сравнению с узлом Intel. Компания TSMC, используя свою технологию 7 нм, производит чипы с плотностью транзисторов около 90 МТ/мм² (миллион транзисторов на квадратный миллиметр), что сопоставимо по плотности с используемым узлом Intel 10 нм на последних мобильных процессорах. Ниже можно увидеть изображения SEM и их сравнение.
Еще одна интересная деталь, которую следует отметить, ширина гейтов не соответствует именованию схемы, как можно было бы ожидать. Транзистор 14 нм имеет ширину не 14 нм, а транзистор 7 нм – не 7 нм. Именование узла и фактический его размер давно изменились, и соглашение об именах действительно зависит от производителя - это стало больше маркетинговым трюком, чем чем-либо еще. Как следствие, некоторые исследователи уже предложили новую метрику плотности для полупроводниковой технологии, отличную от чисто нанометровых терминов.
Специальные оксиды металлов однажды могут заменить полупроводниковые материалы, которые сегодня обычно используются в процессорах. Теперь международная группа исследователей из Университета Мартина Лютера в Галле-Виттенберге (MLU), Университета Кайзерслаутерна и Университета Фрибурга в Швейцарии впервые смогла наблюдать, как возбуждение электронного заряда изменяет спин электрона в оксидах металлов сверхбыстрым и синфазным способом. Исследование было опубликовано в журнале Nature Communications.
В современной полупроводниковой электронике первый ключевой шаг в каждом транзисторе - это передать электроны через запрещенную зону в полупроводнике. Электроны должны двигаться сквозь материал, который фактически не является проводящим. «После возбуждения электронов и перехода их через запрещенную зону движущиеся электрические заряды электронов генерируют токи, которые используются при обработке информации. Эти токи могут вызвать нагрев процессора, что приводит к потере энергии», - объясняет профессор Вольф Виддра (Wolf Widdra) из Института физики в MLU.
Спинтроника пытается решить эту проблему с помощью спина. Это собственный угловой момент электрона, создающий магнитный момент, тем самым приводя к магнетизму, который используется при обработке информации. Сочетание электронных и магнитных свойств определяет функциональность. «Магнитные оксиды - важный класс материалов для спинтроники, потому что они не передают электронный ток, а только магнитную информацию», - говорит Виддра, руководивший исследованием в рамках совместного исследовательского центра CRC/TRR 227 «Сверхбыстрая спиновая динамика» в MLU и Freie Universität Berlin. Однако до недавнего времени не было ясно, как перенос электронов через запрещенную зону в зону проводимости связан со спином магнитного оксида. Теперь команда успешно наблюдала за этим процессом и разработала для него новую теорию. Группы физиков-теоретиков и физиков-экспериментаторов объединили свои усилия для решения этой проблемы.
Используя современный лазер со сверхкороткими импульсами, исследователи смогли возбудить электрон, чтобы перебросить его через запрещенную зону в оксиде никеля. Они также наблюдали, как информация затем передавалась в магнитную систему. Это позволило команде идентифицировать ранее неизвестный механизм сверхбыстрой связи, который происходит в фемтосекундном масштабе, то есть с квадриллионной долей секунды. «Сложные свойства многих тел, возникающие в результате возбуждения электрона лазером, выявило это удивительное наблюдение, но оно также заставили нас долго и серьезно задуматься о том, как его правильно интерпретировать», - добавляет Виддра.
По словам физика, эти достижения открывают путь для сверхбыстрой спинтроники. Это должно способствовать развитию новых сверхбыстрых систем хранения и информационных технологий в будущем.
Электричество и магнетизм тесно связаны: линии электропередач создают магнитное поле, вращающиеся магниты в генераторе производят электричество. Однако это явление намного сложнее: электрические и магнитные свойства некоторых материалов также связаны друг с другом. На электрические свойства некоторых кристаллов могут влиять магнитные поля и наоборот. В этом случае говорят о «магнитоэлектрическом эффекте». Он играет важную технологическую роль, например, в некоторых типах датчиков или в поиске новых концепций хранения данных.
Был исследован специальный материал, для которого, на первый взгляд, вообще нельзя было ожидать магнитоэлектрического эффекта. Но тщательные эксперименты теперь показали, что этот эффект можно наблюдать в этом материале, только он работает совершенно иначе, чем обычно. Им можно управлять очень чувствительно: даже небольшие изменения направления магнитного поля могут переключить электрические свойства материала в совершенно другое состояние.
«Связаны ли электрические и магнитные свойства кристалла или нет, зависит от внутренней симметрии кристалла», - говорит профессор Андрей Пименов из Института физики твердого тела в Венском техническом университете. - Если кристалл обладает высокой степенью симметрии, например, если одна сторона кристалла является в точности зеркальным отображением другой стороны, то по теоретическим причинам магнитоэлектрический эффект быть не может».
Это касается кристалла, который сейчас подробно исследован - так называемого лангасита из лантана, галлия, кремния и кислорода, легированного атомами гольмия. «Кристаллическая структура настолько симметрична, что на самом деле не должна допускать никакого магнитоэлектрического эффекта. А в случае слабых магнитных полей действительно нет никакой связи с электрическими свойствами кристалла, - говорит Андрей Пименов. - Но если мы увеличим силу магнитного поля, произойдет нечто замечательное: атомы гольмия изменят свое квантовое состояние и приобретут магнитный момент. Это нарушит внутреннюю симметрию кристалла».
С чисто геометрической точки зрения кристалл по-прежнему симметричен, но также необходимо учитывать магнетизм атомов, а это нарушает симметрию. Следовательно, электрическая поляризация кристалла может быть изменена с помощью магнитного поля. «Поляризация - это когда положительный и отрицательный заряды в кристалле немного смещены друг относительно друга, - объясняет Пименов. - Этого легко добиться с помощью электрического поля, но из-за магнитоэлектрического эффекта это также возможно с помощью магнитного поля».
Чем сильнее магнитное поле, тем сильнее его влияние на электрическую поляризацию. «Связь между поляризацией и напряженностью магнитного поля примерно линейна, в этом нет ничего необычного, - говорит Андрей Пименов. - Однако примечательно то, что взаимосвязь между поляризацией и направлением магнитного поля сильно нелинейна. Если вы немного измените направление магнитного поля, поляризация может полностью перевернуться. Это новая форма магнитоэлектрического эффекта, которая ранее не была известна». Таким образом, небольшое вращение может решить, может ли магнитное поле изменить электрическую поляризацию кристалла или нет.
«Магнитоэлектрический эффект будет играть все более важную роль в различных технологических приложениях, - говорит Андрей Пименов. - На следующем этапе мы попытаемся изменить магнитные свойства с помощью электрического поля вместо изменения электрических свойств с помощью магнитного поля. В принципе, это должно быть возможно точно так же».
Если это удастся, это будет новый многообещающий способ хранения данных в твердых телах. «В магнитных запоминающих устройствах, таких как компьютерные жесткие диски, сегодня необходимы магнитные поля, - объясняет Пименов. - Они генерируются с помощью магнитных катушек, что требует относительно большого количества энергии и времени. Если бы существовал прямой способ переключения магнитных свойств твердотельной памяти с помощью электрического поля, это было бы прорывом».
Исследователи из Хьюстонского университета разработали новую форму биоэлектроники, известную как электроника «нарисованная на коже» (Drawn on Skin, DoS), в которой многофункциональные датчики и схемы могут быть нанесены непосредственно на кожу с помощью специального чернильного пера. Их исследование, опубликованное в Nature Communications, показывает, что информация, собранная с помощью электроники DoS, более надежна и согласована, чем информация, полученная с помощью электродов, обычно используемых в носимой биоэлектронике.
«[Схемы] создаются так, как если бы вы писали ручкой на листе бумаги, - говорит старший автор Цуньцзян Ю (Cunjiang Yu) . - Мы готовим несколько электронных материалов, а затем используем ручки для их получения. Сохнет очень быстро, как чернила на бумаге».
Ю и его коллеги использовали три разных чернила, чтобы нарисовать различные элементы биоэлектронной платформы (проводники, полупроводники и диэлектрики) в очертаниях трафарета. Любой недостаток можно исправить, просто нарисовав поверх него. После высыхания нарисованная структура может деформироваться вместе с кожей и собирать множество физиологических сигналов.
Обычная носимая биоэлектроника страдает артефактами движения, которые приводят к неверной интерпретации данных и ошибочной диагностике. Эти артефакты в основном возникают, когда слабая адгезия создают несовместимую поверхность раздела между электроникой и кожей. Однако при нанесении на кожу электроника DoS образует ультраконформный, прочный и растяжимый интерфейс, невосприимчивый к движениям кожи.
Команда исследовала различные возможности измерения, предлагаемые датчиками. Например, отслеживая изменения сопротивления датчиков, исследователи обнаружили, что они могут обнаруживать деформации тканей или изменения температуры окружающей среды. Дальнейшие эксперименты также показали, что датчики DoS могут регистрировать импеданс кожи, из которого можно экстраполировать уровни гидратации слоев кожи даже при напряжении.
Однако из различных измеримых характеристик ни одна из них не может быть важнее электрокардиограммы (ЭКГ), поскольку она может помочь предсказать и предотвратить неизбежные сердечно-сосудистые события, такие как аритмия. Датчики DoS не только обеспечивают четкий сигнал ЭКГ, но также могут отслеживать изменения частоты сердечных сокращений, что подчеркивает их потенциал в качестве инструментов мониторинга.
По сравнению с гелевым электродом больничного класса и ультратонким электродом со змеевидной сеткой, датчик DoS меньше всего пострадал от пота, и был единственным датчиком, способным обеспечить надежный сигнал ЭКГ в течение 7-часового периода. Интересно, что записи ЭКГ, полученные от датчика DoS, не показали аномальных отклонений при регулярных интервалах растяжения, сжатия и освобождения кожи в месте их нахождения, в отличие от двух других датчиков.
Дополнительные исследования показали, что датчики также могут улавливать электромиографические сигналы - электрическую активность мышц. На протяжении всех этих экспериментов сигналы датчиков DoS не подвергались артефактам движения, что является значительным улучшением по сравнению со стандартной носимой биоэлектроникой.
Однако самой интересной особенностью этого нового датчика может быть его способность ускорять заживление ран. Было показано, что импульсная электрическая стимуляция кожи ускоряет заживление ран, и исследователи проверили, может ли их датчик DoS вызвать такой процесс. Они хирургическим путем создали кожную рану шириной 1 см у мышей, а затем протянули электроды только на верхней половине раны. Через пять дней ширина струпа на обработанной стороне уменьшилась в среднем на 8 мм, тогда как ширина струпа на необработанной половине уменьшилась в среднем только на 4 мм.
Электроника DoS проста в изготовлении и не требует специального оборудования. Изобретатели могут создавать активную электронику с многофункциональными устройствами и датчиками и изначально невосприимчивой к артефактам движения. Таким образом, они представляют собой многообещающую технологию в области биоэлектроники и персонализированного лечения в местах оказания медицинской помощи.
Электроника, «нарисованная на коже», может создавать многофункциональные датчики и схемы для сбора различных физиологических сигналов
Открытие беспрецедентного физического эффекта в новом искусственном материале знаменует собой важную веху в длительном процессе разработки материалов, изготавливаемых на заказ, и более энергоэффективной электроники.
Нас окружают электронные устройства. Транзисторы используются для питания телефонов, компьютеров, телевизоров, систем Hi-Fi и игровых консолей, а также автомобилей, самолетов и тому подобного. Однако сегодняшняя электроника на основе кремния потребляет значительную и постоянно увеличивающуюся долю мировой энергии.
Ряд исследователей изучают свойства материалов, более сложных, чем кремний, но перспективных для электронных устройств будущего и менее требовательных к электричеству. В соответствии с этим подходом ученые из Женевского университета (UNIGE) работали в сотрудничестве со Швейцарским федеральным технологическим институтом в Лозанне (EPFL), Цюрихским университетом, Институтом Флэтайрон Нью-Йорка и Льежским университетом. Ученые обнаружили неизвестное до сих пор физическое явление в искусственном материале, состоящем из очень тонких слоев никелатов. Это можно использовать для точного управления некоторыми электронными свойствами материала, такими как внезапный переход из проводящего в изолирующее состояние. Его также можно использовать для разработки новых, более энергоэффективных устройств.
«Никелаты известны своей особой характеристикой: они внезапно переключаются из изолирующего состояния в состояние электрического проводника, когда их температура поднимается выше определенного порога, - говорит Жан-Марк Трискон (Jean-Marc Triscone), профессор кафедры квантовой физики на факультете науки в UNIGE. - Эта температура перехода зависит от состава материала».
Никелаты образуются из оксида никеля с добавлением атома, принадлежащего к так называемым редкоземельным элементам (т.е. набору из 17 элементов Периодической таблицы). Когда этот редкоземельный элемент представляет собой самарий (Sm), например, скачок металл-изолятор происходит при температуре около 130° C, в то время как если это неодим (Nd), порог падает до -73° C. Это различие объясняется тем, что при замене Sm на Nd кристаллическая структура соединения деформируется - и именно эта деформация определяет значение температуры перехода.
Пытаясь больше узнать об этих материалах, ученые из Женевы изучили образцы, состоящие из повторяющихся слоев никелата самария, нанесенных на слои никелата неодима - своего рода «суперсэндвич», в котором все атомы идеально расположены.
Кларибель Домингес (Claribel Domínguez), исследователь из отдела квантовой физики материи и первый автор статьи, объясняет: «Когда слои достаточно толстые, они ведут себя независимо, каждый из них сохраняет свою собственную температуру перехода. Как ни странно, когда мы делали слои толщиной не больше восьми атомов каждый, весь образец начал вести себя как единый материал, с одним большим скачком проводимости при промежуточной температуре перехода».
Очень подробный анализ, проведенный с помощью электронного микроскопа в EPFL и подкрепленный сложными теоретическими разработками, предпринятыми американскими и бельгийскими коллегами, показал, что распространение деформаций в кристаллической структуре на границах раздела между материалами происходит только через два или три атомных слоя. Соответственно, наблюдаемое явление объясняется не этим искажением. На самом деле это как если бы самые дальние слои каким-то образом знали, что они очень близки к границе раздела, но не деформировались физически.
«В этом нет ничего волшебного, - говорит Дженнифер Фоули (Jennifer Fowlie), исследователь из отдела квантовой физики материи и соавтор статьи. - Наше исследование показывает, что поддержание границы раздела между проводящей областью и изолирующей областью, как в случае с нашими образцами, очень дорого с точки зрения энергии. Таким образом, когда два слоя достаточно тонкие, они могут принять гораздо меньше энергоемкое поведение, заключающееся в превращении в один материал, полностью металлический или полностью изолирующий, и с общей температурой перехода. И все это происходит без изменения кристаллической структуры. Такой эффект, или связь, беспрецедентны».
Это открытие стало возможным благодаря поддержке Швейцарского национального научного фонда и гранту Q-MAC ERC Synergy Grant (Frontiers in Quantum Materials 'Control). Открытие предоставляет новый способ управления свойствами искусственных электронных структур, которым, в данном случае, является скачок проводимости, полученный женевскими исследователями в их композитном никелате, что представляет собой важный шаг вперед в разработке новых электронных устройств. Никелаты могут использоваться в таких приложениях, как пьезоэлектрические транзисторы (реагирующие на давление).
В более общем плане, работа Женевы вписывается в стратегию производства искусственных материалов «по дизайну», то есть со свойствами, отвечающими конкретной потребности. Этот путь, по которому идут многие исследователи по всему миру, обещает будущую энергоэффективную электронику.
Сканирующее трансмиссионное электронно-микроскопическое изображение сверхрешетки, состоящее из чередующейся последовательности из 5 элементарных атомных ячеек никелата неодима (синий) и 5 элементарных ячеек никелата самария (желтый)
Исследователи разработали автономный недорогой модульный источник энергии, который может эффективно производить энергию в ночное время. Система использует коммерчески доступные технологии и может в конечном итоге помочь удовлетворить потребность в ночном освещении в городских районах или обеспечить освещение в развивающихся странах.
Хотя солнечная энергия приносит много преимуществ, ее использование сильно зависит от распределения солнечного света, которое может быть ограничено во многих местах и полностью недоступно в ночное время. Системы, накапливающие энергию, производимую в течение дня, обычно дороги, что увеличивает стоимость использования солнечной энергии.
Чтобы найти менее дорогостоящую альтернативу, исследователи во главе с Шанхуэем Фаном (Shanhui Fan) из Стэнфордского университета обратились к радиационному охлаждению. Этот подход использует разницу температур в результате поглощения тепла из окружающего воздуха и эффект лучистого охлаждения холодного пространства для выработки электроэнергии.
В журнале Optics Express оптического общества (OSA) исследователи теоретически демонстрируют оптимизированный подход к радиационному охлаждению, который может генерировать 2,2 Вт на квадратный метр с помощью устройства на крыше, которое не требует батареи или какой-либо внешней энергии. Это примерно в 120 раз больше энергии, чем было продемонстрировано экспериментально, и ее достаточно для питания модульных датчиков, например, используемых в приложениях безопасности или защиты окружающей среды.
«Мы работаем над созданием высокоэффективных и устойчивых источников освещения, которые могут предоставить каждому, в том числе в развивающихся и сельских районах, доступ к надежным и экологически чистым недорогим источникам энергии для освещения, - сказал Линлин Фан (Lingling Fan), первый автор статьи. - Модульный источник энергии также может питать автономные датчики в различных приложениях и использоваться для преобразования отработанного тепла от автомобилей в полезную энергию».
Одним из наиболее эффективных способов выработки электроэнергии с использованием радиационного охлаждения является использование термоэлектрического генератора энергии. В этих устройствах применяются термоэлектрические материалы для выработки энергии путем преобразования разницы температур между источником тепла и охлаждающей стороной устройства, или радиационным охладителем, в электрическое напряжение.
В новой работе исследователи оптимизировали каждый этап выработки термоэлектрической энергии, чтобы максимально увеличить выработку энергии в ночное время от устройства, которое будет использоваться на крыше. Они улучшили сбор энергии, так что в систему поступает больше тепла из окружающего воздуха, и включили новые коммерчески доступные термоэлектрические материалы, которые повышают эффективность использования этой энергии устройством. Они также подсчитали, что термоэлектрический генератор энергии, покрывающий один квадратный метр крыши, может обеспечить лучший компромисс между потерями тепла и термоэлектрическим преобразованием.
«Одним из наиболее важных нововведений была разработка селективного излучателя, который крепится к охлаждающей стороне устройства, - сказал Вэй Ли (Wei Li), член исследовательской группы. - Это оптимизирует процесс радиационного охлаждения, так что генератор может более эффективно избавляться от чрезмерного тепла».
Исследователи продемонстрировали новый подход, используя компьютеры для моделирования системы с реалистичными физическими параметрами. Модели точно воспроизводили предыдущие экспериментальные результаты и показали, что оптимизированная система, разработанная исследователями, может приблизиться к рассчитанной максимальной эффективности с использованием термоэлектрического преобразования.
Помимо проведения экспериментов, исследователи также изучают оптимальные конструкции для работы системы в дневное время в дополнение к ночному, что может расширить практические применения системы.
В многообещающем прорыве в будущее связи исследователи разработали технологию, которая может усиливать свет в новейших оптических волокнах с полой сердцевиной.
«Эта идея крутилась у меня в голове около 15 лет, но у меня никогда не было времени или ресурсов, чтобы что-то с ней сделать», - отметил проф. Люк Тевеназ (Luc Thévenaz), руководитель группы волоконной оптики в Школе инженерии EPFL. Но теперь он, наконец, добился этого: его лаборатория разработала технологию усиления света внутри новейших полых оптических волокон.
Современные оптические волокна обычно имеют прочную стеклянную сердцевину, поэтому внутри нет воздуха. Свет может распространяться по волокнам, но через 15 километров теряет половину своей интенсивности. Он продолжает ослабевать до тех пор, пока его с трудом можно обнаружить на расстоянии 300 километров. Поэтому, чтобы свет продолжал двигаться, его необходимо регулярно усиливать.
Подход проф. Тевеназа основан на новых оптических волокнах с полой сердцевиной, заполненных воздухом или газом. «Воздух означает меньшее ослабление, поэтому свет может распространяться на большее расстояние. Это реальное преимущество», - говорит профессор. Но в тонком веществе, таком как воздух, усилить свет труднее. «В этом суть проблемы: свет распространяется быстрее, когда сопротивление меньше, но в то же время на него труднее воздействовать. К счастью, наше открытие решает эту проблему», - отметил он.
Так что же сделали исследователи? «Мы просто увеличили давление воздуха в волокне, чтобы создать контролируемое сопротивление, - объясняет аспирант Фань Ян (Fan Yang). - Это работает аналогично оптическому пинцету - молекулы воздуха сжимаются и образуют кластеры, расположенные на регулярной основе. Это создает звуковую волну, которая увеличивается по амплитуде и эффективно рассеивает свет от мощного источника в направлении ослабленного луча, так что он усиливается до 100 000 раз». Таким образом, их техника делает свет значительно более мощным. «Наша технология может применяться к любому типу света, от инфракрасного до ультрафиолетового, и к любому газу», - поясняет он.
В будущем эта технология может служить и другим целям помимо усиления света. Например, оптические волокна с полой сердцевиной или сжатым газом могут использоваться для изготовления сверхточных термометров. «Мы сможем измерить распределение температуры в любой точке волокна. Поэтому, если пожар начнется вдоль туннеля, мы будем точно знать, где он начался, исходя из повышения температуры в данной точке», - говорит аспирант Флавиен Гайгер (Flavien Gyger). Эту технологию также можно использовать для создания временной оптической памяти путем остановки света в волокне на микросекунду - что в десять раз дольше, чем это возможно в настоящее время.
Электронные фильтры необходимы для внутренней работы наших телефонов и других беспроводных устройств. Они устраняют или усиливают определенные входные сигналы для достижения желаемых выходных сигналов. Они необходимы, но занимают место на микросхемах, которые исследователи постоянно стремятся уменьшить. Новое исследование демонстрирует успешную интеграцию отдельных элементов, составляющих электронные фильтры, в единый компонент, что значительно сокращает объем пространства, занимаемого устройством.
Исследователи из Университета Иллинойса в Урбане-Шампейне отказались от традиционной двумерной схемы с сосредоточенными или распределенными фильтрами на кристалле, состоящей из отдельных катушек индуктивности и конденсаторов, ради единой компактной трехмерной рулонной мембраны, которая содержит оба независимо разработанных элемента.
Результаты исследования, проведенного профессором электротехники и компьютерной инженерии Сюлин Ли (Xiuling Li), опубликованы в журнале Advanced Functional Materials. «С успехом, достигнутым нашей командой в производстве рулонных катушек индуктивности и конденсаторов, имеет смысл воспользоваться самосборкой из 2D в 3D в этом процессе производства, чтобы интегрировать эти различные компоненты в единое рулонное и компактное устройство», - сказал Ли.
В лаборатории команда использует специальный процесс травления и литографии, чтобы нанести 2D-схему на очень тонкие мембраны. В схеме они соединяют конденсаторы и катушки индуктивности вместе и с заземляющими или сигнальными линиями в одной плоскости. По словам исследователей, многослойную мембрану можно свернуть в тонкую трубку и поместить на чип.
«Шаблоны или маски, которые мы используем для формирования схем на двухмерных мембранных слоях, могут быть настроены для достижения любых видов электрических взаимодействий, которые нам нужны для конкретного устройства, - сказал аспирант и соавтор Марк Краман (Mark Kraman). - Экспериментировать с различными конструкциями фильтров с помощью этого метода относительно просто, потому что нам нужно изменить структуру маски только тогда, когда мы хотим внести изменения».
Исследователи заявили, что группа проверила характеристики свернутых компонентов и обнаружила, что при нынешней конструкции фильтры подходят для приложений в диапазоне частот 1-10 гигагерц. Хотя эти конструкции предназначены для использования в системах радиочастотной связи, группа ученых полагает, что другие частоты, в том числе в мегагерцовом диапазоне, также возможны на основе их способности создавать индукторы большой мощности в прошлых исследованиях.
«Мы работали с несколькими простыми конструкциями фильтров, но теоретически можем создать любую комбинацию сетей фильтров, используя те же этапы процесса, - сказал аспирант и ведущий автор Майк Янг (Mike Yang) . - Мы взяли то, что уже было, чтобы предоставить новую, более простую платформу для объединения этих компонентов вместе».
«Наш способ монолитной интеграции катушек индуктивности и конденсаторов может вывести интеграцию пассивных электронных схем на совершенно новый уровень, - сказал Ли. - Практически нет предела сложности или конфигурации схем, которые могут быть выполнены таким образом, все с одним набором масок».
Новое исследование продемонстрировало, что секреты мельчайших активных структур в интегральных схемах могут быть раскрыты с помощью неразрушающего метода визуализации. Этот прорыв потребовал усилий международной группы ученых из JKU и Keysight Technologies (Австрия), ETH/EPFL/PSI и IBM Research Europe (Швейцария) и из UCL (Великобритания).
Функциональные особенности интегральных схем и квантовых устройств в кремнии определяют небольшие структуры, состоящие из участков посторонних атомов, называемых легирующими добавками. Легирующие структуры обеспечивают носители заряда, которые проходят через компоненты схемы, давая этим компонентам возможность функционировать. В наши дни легирующие структуры состоят всего из нескольких атомов в поперечнике, поэтому их необходимо размещать в точных местах в цепи и иметь очень четко определенные электрические свойства. В настоящее время производителям трудно определить неразрушающим способом, соответствуют ли они этим строгим требованиям. Новая парадигма визуализации обещает все это изменить.
Режим визуализации, называемый широкополосной электрической силовой микроскопией, разработанный доктором Георгом Грамзе (Georg Gramse) из Keysight Technologies & JKU, использует очень острый зонд, который посылает электромагнитные волны в кремниевый чип для изображения и локализации легирующих структур под поверхностью. Доктор Грамзе говорит, что, поскольку микроскоп может использовать волны многих частот, он может предоставить множество ранее недоступных деталей об электрической среде вокруг легирующих структур. Дополнительная информация имеет решающее значение для прогнозирования конечной производительности устройств.
Подход к визуализации был протестирован на двух крошечных легирующих структурах, созданных с помощью шаблонного процесса, который является уникальным в достижении атомарно четких границ раздела между различными легированными областями. Доктор Томас Скерен (Tomas Skeren) из IBM создал первый в мире электронный диод, изготовленный с помощью этого процесса, а доктор Алекс Кёлькер (Alex Kölker) из UCL создал многоуровневое трехмерное устройство с точностью до атомного масштаба.
Результаты, опубликованные в журнале Nature Electronics, демонстрируют, что этот метод может делать снимки и разрешать всего 200 атомов примеси, даже если они скрыты под тем же числом атомов Si. Он может отличить определенные разновидности атомов примеси, а также может предоставить информацию о том, как носители заряда перемещаются через структуры, и о «ловушках» атомных размеров, которые могут остановить их движение.
Профессор Нил Керсон (Neil Curson), возглавляющий группу в UCL, сказал: «Это исследование не могло быть лучшим временем для масштабных всемирных усилий по созданию электроники меньшего размера или квантовых компьютеров на кремнии. Хотя успех в создании меньших и более сложных компонент был впечатляющим, технология, необходимая для реального наблюдения за тем, что делается, за ним не успевала. Это стало серьезной проблемой для контроля качества при производстве кремниевых микросхем и информационной безопасности, когда вы не можете видеть, что внутри микросхем, которые производят или покупают. Наше новое исследование поможет решить многие из этих проблем». Д-р Андреас Фурер (Andreas Fuhrer) из IBM Research добавил: «После обучения созданию первых крошечных структур легирующих элементов, состоящих из двух различных видов легирующих примесей, бора и фосфора, было чрезвычайно полезно работать с этой международной командой, чтобы обнаружить тонкие детали наших структур, которые могли бы просто невозможно по-другому».
