Исследователи из Калифорнийского университета в Сан-Диего разработали, как они утверждают, самое тонкое оптическое устройство в мире, волновод толщиной всего в три слоя атомов.

Работа является доказательством концепции уменьшения оптических устройств до размеров, которые на несколько порядков меньше, чем у современных устройств. Это может привести к созданию фотонных чипов с большей плотностью и большей емкостью.

Новый волновод имеет толщину примерно в шесть ангстрем - это более чем в 10000 раз тоньше, чем обычное оптическое волокно, и примерно в 500 раз тоньше, чем встроенные оптические волноводы в интегральных фотонных схемах. Он состоит из монослоя дисульфида вольфрама (состоящего из одного слоя атомов вольфрама, расположенного между двумя слоями атомов серы), подвешенного на кремниевой рамке. Монослой также имеет массив наноразмерных отверстий, образующих фотонный кристалл.

«По сути, мы демонстрируем предельный предел того, насколько тонким может быть оптический волновод», - сказал старший автор Эртугрул Кубукку (Ertugrul Cubukcu), профессор наноинженерии и электротехники в Калифорнийском университете в Сан-Диего.

Что особенного в этом монослойном кристалле, так это то, что он поддерживает пары электрон-дырка, известные как экситоны, при комнатной температуре. Эти экситоны генерируют сильный оптический отклик, давая кристаллу показатель преломления, который примерно в четыре раза больше, чем у окружающего его поверхности воздуха. Для сравнения, другой материал с такой же толщиной не имел бы такой высокий показатель преломления. Когда свет проходит через кристалл, он попадает внутрь и направляется вдоль плоскости посредством полного внутреннего отражения. Это основной механизм работы оптического волновода.

Еще одна особенность заключается в том, что волноводные каналы освещают в видимом спектре. «Это сложно сделать в таком тонком материале, - сказал проф. Кубукку. - Ранее волновод был продемонстрирован с графеном, который также атомно тонок, но на инфракрасных длинах волн. Мы впервые продемонстрировали волновод в видимой области». Наноразмерные отверстия, выгравированные в кристалле, позволяют рассеивать свет перпендикулярно плоскости, чтобы его можно было наблюдать и исследовать. Этот массив отверстий создает периодическую структуру, которая делает кристалл также двойным резонатором.

«Это также делает его самым тонким оптическим резонатором для видимого света, который когда-либо был продемонстрирован экспериментально, - сказал первый автор Синванг Чжан, который работал над этим проектом в качестве постдокторского исследователя в лаборатории Кубукку в Калифорнийском университете в Сан-Диего. - Эта система не только резонансно усиливает взаимодействие света с веществом, но также служит решетчатым соединителем второго порядка для подачи света в оптический волновод».

Для создания волновода были использованы передовые методы микро- и нанообработки. Процесс начинается с тонкой мембраны из нитрида кремния, поддерживаемой кремниевой рамкой. Это подложка, на которой построен волновод. Затем массив наноразмерных отверстий формируется в мембране для создания шаблона. Затем на мембрану наносится монослой кристалла дисульфида вольфрама. Ионы затем посылаются через мембрану, чтобы вытравить ту же схему отверстий в кристалле. На последнем этапе мембрана из нитрида кремния осторожно вытравливается, оставляя кристалл подвешенным на кремниевой рамке. В результате получается оптический волновод, в котором ядро состоит из однослойного фотонного кристалла дисульфида вольфрама, окруженного материалом (воздухом) с более низким показателем преломления.

В дальнейшем команда продолжит исследовать фундаментальные свойства и физику, относящиеся к волноводу.

Иллюстрация монослоя кристалла дисульфида вольфрама, подвешенного на воздухе и украшенного квадратной решеткой из наноотверстий. При лазерном возбуждении монослойный кристалл испускает фотолюминесценцию. Часть этого света соединяется с монослойным кристаллом и направляется вдоль материала. В решетке из наноотверстий периодическая модуляция в показателе преломления заставляет небольшую часть света распадаться из плоскости материала, что позволяет наблюдать свет как резонанс в управляемой моде.

Прорыв в понимании того, как ведут себя квазичастицы, известные как магнитные монополи, может привести к разработке новых технологий для замены электрических зарядов.

Исследователи из Кентского университета применили комбинацию квантовой и классической физики, чтобы исследовать, как магнитные атомы взаимодействуют друг с другом, образуя сложные объекты, известные как «магнитные монополи».

Основываясь на исследовании материалов, известных как спиновый лед, команда показала, как можно добиться «прыжка» монополя с одного узла в кристаллической решетке спинового льда на другой, переключив направление одного магнитного атома.

Хотя в теории при низких температурах магнитным атомам не хватает энергии для этого, команда обнаружила, что, когда монополь прибывает в узел решетки, он вызывает изменения в полях, действующих на окружающие его магнитные атомы, которые позволяют им «туннелировать» через энергетический барьер.

Доктор Кинтанилья (Quintanilla) из Школы физических наук Университета сказал: «Мы нашли доказательства того, что это таинственное низкотемпературное скачкообразное изменение достигается посредством квантового туннелирования: феномена, который позволяет квантовому объекту преодолевать препятствие, которое, согласно классическим законам физики, требует больше энергии, чем система имеет в своем распоряжении. Мы показали, что магнитные атомы, образующие монополь, испытывают поля, поперечные их собственным, которые, в свою очередь, вызывают туннелирование. Мы рассчитываем скорости прыжков монополя, вытекающие из этого сценария, и находим их в целом соответствующими имеющимся наблюдениям».

Исследователи предполагают, что это лучшее понимание движения монополя в материалах со спиновым льдом может позволить использовать будущие технологии, основанные на движущихся магнитных монополях, а не на электрических зарядах.

Есть много способов производства электричества, для примера, батареи, солнечные батареи, ветряные турбины и гидроэлектростанции, ... а теперь есть ржавчина.

Новое исследование, проведенное учеными из Калифорнийского технологического института и Северо-Западного университета, показывает, что тонкие пленки ржавчины - оксида железа - могут генерировать электричество, когда над ними течет соленая вода. Эти пленки представляют совершенно новый способ производства электричества и могут быть использованы для разработки новых форм устойчивого производства электроэнергии.

Взаимодействия между соединениями металлов и соленой водой часто генерируют электричество, но это обычно является результатом химической реакции, в которой одно или несколько соединений превращаются в новые соединения. Подобные реакции - вот что работает внутри батарей.

Напротив, явление, открытое Томом Миллером (Tom Miller), профессором химии в Калифорнийском технологическом институте, и Францем Гейгером (Franz Geiger), профессором химии в Северо-западном регионе, не связано с химическими реакциями, а скорее превращает кинетическую энергию протекающей соленой воды в электричество.

Явление, электрокинетический эффект, ранее наблюдалось в тонких пленках графена - листах атомов углерода, расположенных в гексагональной решетке, - и это удивительно эффективно - 30% при преобразовании кинетической энергии в электричество. Для справки, лучшие солнечные панели показывают только 20%.

«Подобный эффект был замечен и в некоторых других материалах. Вы можете взять каплю соленой воды и протащить ее через графен и увидеть генерируемое электричество», - говорит Миллер.

Однако сложно изготовить графеновые пленки и масштабировать их до приемлемых размеров. Миллер говорит, что пленки оксида железа, обнаруженные им и Гейгером, относительно просты в изготовлении и могут масштабироваться до больших размеров.

«Это в основном просто ржавчина на железе, поэтому его довольно легко сделать на больших площадях, - говорит Миллер. - Это более надежная реализация того, что можно увидеть в графене».

Хотя ржавчина на железных сплавах будет образовываться сама по себе, команда должна была обеспечить ее постоянное образование в тонком слое. Для этого они использовали процесс, называемый физическим осаждением из паровой фазы (PVD), который превращает обычно твердые материалы, в данном случае оксид железа, в пар, который конденсируется на желаемой поверхности. PVD позволил им создать слой оксида железа толщиной 10 нанометров, примерно в 10 тысяч раз тоньше человеческого волоса.

Когда они взяли железо, покрытое ржавчиной, и пустили по нему растворы соленой воды с различными концентрациями, они обнаружили, что оно генерирует несколько десятков милливольт и несколько микроампер на кв. см.

«В перспективе плиты площадью 10 квадратных метров каждая будут генерировать несколько киловатт в час - этого достаточно для стандартного дома в США, - говорит Миллер. - Конечно, менее требовательные приложения, в том числе устройства с низким энергопотреблением в удаленных местах, являются более перспективными в ближайшем будущем».

Механизм генерации электричества сложен, включает в себя ионную адсорбцию и десорбцию, но по сути он работает следующим образом: ионы, присутствующие в соленой воде, притягивают электроны в железе под слоем ржавчины. Поскольку соленая вода течет, то эти ионы посредством силы притяжения увлекают электроны в железе вместе с собой, генерируя электрический ток.

Миллер говорит, что этот эффект может быть полезен в определенных сценариях, где есть движущиеся солевые растворы, например, в океане или человеческом теле.

«Например, приливная энергия или что-то качающееся в океане, например, буи могут быть использованы для пассивного преобразования электрической энергии, - говорит он. - В ваших венах с периодическими импульсами течет соленая жидкость. Это может быть использовано для выработки электроэнергии для питания имплантатов».

Исследователи смогли обнаружить что набрано на клавиатуре с удивительной точностью, используя только смартфон.

Вы, вероятно, знаете, что нужно избегать подозрительных электронных писем, чтобы хакеры не собирали личную информацию с вашего компьютера. Но новое исследование, проведенное Южным методистским университетом (SMU), показывает, что можно получить доступ к вашей информации гораздо более тонким способом: с помощью находящегося поблизости смартфона, перехватывающего звук вашей печати.

Исследователи из Института кибербезопасности Дарвина Дизона при SMU обнаружили, что акустические сигналы, или звуковые волны, генерируемые при наборе текста на клавиатуре компьютера, могут быть успешно уловлены смартфоном. Звуки, перехваченные телефоном, можно затем обработать, что позволит опытному хакеру расшифровать, какие клавиши были нажаты, и что они печатали.

Исследователи смогли расшифровать большую часть того, что печаталось, используя обычные клавиатуры и смартфоны, даже в шумном конференц-зале, наполненном звуками других людей, которые печатали и разговаривали.

«Мы смогли уловить то, что печатают люди, с точностью до 41% слов. И мы можем увеличить это выше 41%, если мы посмотрим, скажем, на 10 лучших слов того, что, по нашему мнению, может быть», - сказал Эрик С. Ларсон (Eric C. Larson), один из двух ведущих авторов статьи и доцент кафедры компьютерных наук школы Lyle в SMU.

Для получения информации о том, что вы печатаете, может потребоваться всего несколько секунд, отметил ведущий автор Митч Торнтон (Mitch Thornton), директор Института Дизона и профессор электротехники и вычислительной техники.

«Исходя из того, что мы обнаружили, я думаю, что производителям смартфонов придется вернуться к чертежной доске и убедиться, что они улучшают конфиденциальность, с которой люди имеют доступ к этим датчикам в смартфоне», - сказал Ларсон.

Исследователи хотели создать сценарий, который будет имитировать то, что может произойти в реальной жизни. Поэтому они собрали несколько человек в конференц-зале, разговаривали друг с другом и делали записи на ноутбуке. По словам Торнтона, на одном столе с ноутбуком или компьютером было восемь мобильных телефонов, которые находились на расстоянии от трех дюймов до нескольких футов от компьютера.

Участники исследования не получили сценарий того, о чем им говорить, и им было позволено использовать сокращенные или полные предложения при наборе текста. Им также было разрешено либо исправлять машинописные ошибки, либо оставлять их по своему усмотрению.

«Мы искали дыры в безопасности, которые могут существовать, когда у вас есть эти постоянно включенные сенсорные устройства - это ваш смартфон, - сказал Ларсон. - Мы хотели понять, может ли то, что вы печатаете на своем ноутбуке или на любой клавиатуре, восприниматься только теми мобильными телефонами, которые находятся на одном столе. Ответ был определенным: «Да».

«В смартфонах есть много типов датчиков, которые позволяют ему определять свою ориентацию и обнаруживать, когда он находится на столе или лежит в чьем-то кармане. Некоторые датчики требуют, чтобы пользователь дал разрешение на их включение, но многие из них всегда включены, - объяснил Торнтон. - Мы использовали датчики, которые всегда включены, поэтому все, что нам нужно было сделать, это разработать новое приложение, которое обрабатывало бы выходной сигнал датчика, чтобы предсказать нажатие клавиши пользователем».
Однако есть некоторые пояснения.

«Злоумышленнику нужно знать тип материала стола», - сказал Ларсон, потому что разные столешницы создают разные звуковые волны при вводе текста. Например, деревянный стол, подобный тому, который использовался в этом исследовании, звучит иначе, чем когда кто-то печатает на металлической столешнице.

Ларсон сказал: «Злоумышленнику также понадобится узнать, есть ли на столе несколько телефонов, и как сделать выборку из них».

Торнтон отметил, что успешный перехват такого рода может быть очень пугающим, потому что «нет никакого способа узнать, что вас так взломали».

Международная команда, возглавляемая Александром Холляйтнером (Alexander Holleitner) и Джонатаном Финли (Jonathan Finley), физиками из Технического университета Мюнхена (TUM), преуспела в размещении источников света в слоях атомарно тонкого материала с точностью в несколько нанометров. Новый метод позволяет использовать множество приложений в квантовых технологиях, от квантовых датчиков и транзисторов в смартфонах до новых технологий шифрования для передачи данных.

Предыдущие схемы на чипах полагаются на электроны как носители информации. В будущем фотоны, которые передают информацию со скоростью света, смогут выполнять эту задачу в оптических цепях. Квантовые источники света, которые затем соединяются с квантовыми волоконно-оптическими кабелями и детекторами, необходимы в качестве основных строительных блоков для таких новых чипов.

«Это первый шаг к оптическим квантовым компьютерам, - говорит Джулиан Кляйн (Julian Klein), ведущий автор исследования. - Потому что для будущих применений источники света должны быть связаны с фотонными цепями, например, волноводами, чтобы сделать возможными квантовые вычисления на основе света».

Критическим моментом здесь является точное и точно контролируемое размещение источников света. Можно создать квантовые источники света в обычных трехмерных материалах, таких как алмаз или кремний, но они не могут быть точно размещены в этих материалах.

Затем физики использовали слой полупроводникового дисульфида молибдена (MoS2) в качестве исходного материала, толщиной всего три атома. Они облучили образец пучком ионов гелия, сфокусировав его на поверхности площадью менее одного квадратного нанометра.

Для создания оптически активных дефектов нужные квантовые источники света, атомы молибдена или серы, точно выбиваются из слоя. Дефекты представляют собой ловушки для экситонов, электронно-дырочных пар, которые затем испускают нужные фотоны.

Технически, для этого центральное значение имел новый гелиево-ионный микроскоп в Центре нанотехнологий и наноматериалов Института Уолтера Шоттки, который был использован для облучения такого материала с беспрецедентным боковым разрешением.

Совместно с теоретиками из TUM, Общества Макса Планка и Бременского университета команда разработала модель, которая также теоретически описывает энергетические состояния, наблюдаемые при дефектах.

В будущем исследователи хотят создавать более сложные структуры источников света, например, в поперечных двумерных решетчатых структурах, чтобы таким образом исследовать многоэкситонные явления или свойства экзотических материалов.

Это экспериментальные ворота в мир, который долгое время теоретически описывался только в контексте так называемой модели Бозе-Хаббарда, стремящейся объяснить сложные процессы в твердых телах.

Прогресс может быть достигнут не только в теории, но и в отношении возможных технологических применений. Поскольку источники света всегда имеют один и тот же дефект в материале, они теоретически неразличимы. Это учитывает приложения, которые основаны на квантово-механическом принципе запутывания.

«Можно очень элегантно интегрировать наши квантовые источники света в фотонные схемы, - говорит Кляйн. - Благодаря высокой чувствительности можно, например, создавать квантовые датчики для смартфонов и разрабатывать чрезвычайно безопасные технологии шифрования для передачи данных».

Дефекты в тонких слоях сульфида молибдена, создаваемые бомбардировкой ионами гелия, могут служить наноисточниками света для квантовых технологий

Сотрудничество Университета Вуллонгонга (UOW) и Университета Монаш нашло свидетельство новой фазы вещества, предсказанной в 1960-х годах: экситонный изолятор.

Уникальные сигнатуры экситонной изолирующей фазы наблюдались в наночешуйках сурьмы Sb (110).

Полученные данные обеспечивают новую стратегию для поиска большего количества экситонных изоляторов, которые потенциально способны проявлять сверхтекучесть экситонов.

«Открытие новых фаз материи является одной из основных задач физики конденсированных сред и важно для разработки новых технологий для низкоэнергетической электроники, что является главной целью центра ARC во FLEET», - говорит проф. Сяолинь Ван (Xiaolin Wang) из UOW.

«В 1960-х годах было предложено, чтобы в небольших материалах с непрямой запрещенной зоной экситоны могли образовываться спонтанно, поскольку плотность носителей слишком мала, чтобы экранировать кулоновское притяжение между электронами и дырками», - сказал д-р Чжи Ли (Zhi Li), первый автор и в настоящее время сотрудник FLEET AI и ARC DECRA, работающий под руководством проф. Вана.

Результатом является новая сильно взаимодействующая изолирующая фаза, известная как экситонный изолятор.

Помимо изоляторов с запрещенной зоной, другие изолирующие состояния могут возникать вследствие эффектов межэлектронных взаимодействий или беспорядка, связанного с квантовым взаимодействием.

Экситонный изолятор, новая фаза вещества в критической точке перехода между изолятором и металлом, был предложен в 1960-х годах многими пионерами в физике конденсированных сред.

В экситонном изоляторе физические свойства определяют бозонные частицы, а не электроны.

Было предсказано, что экситонные изоляторы обладают многими новыми свойствами, в том числе кристаллизованным экситонием, сверхтекучестью и высокотемпературной экситонной сверхпроводимостью, и открытия в этом новом классе изоляторов привлекли пристальное внимание физиков конденсированных сред и ученых, занимающихся двумерными материалами.

Исследовательская группа использовала сканирующую туннельную микроскопию (STM) и спектроскопию (STS), чтобы показать, что усиленное кулоновское взаимодействие квантовых наночастиц элементарной сурьмы приводит систему в состояние экситонного изолятора.

Непосредственно наблюдалась уникальная особенность экситонного изолятора - волны плотности заряда (ВПЗ) без периодического искажения решетки. Кроме того, STS показывает зазор, вызванный ВПЗ вблизи поверхности Ферми.

Эти наблюдения позволяют предположить, что наночешуйки сурьмы (Sb (110)) является экситонным изолятором.

Экситоны, которые являются бозонными, сильно связанными парами электронов и дырок, образуются в результате притягивающего кулоновского взаимодействия электрон-дырка, понижающего энергию системы на величину энергии связи (Eb).

Если бы такие экситоны могли образоваться спонтанно, то результатом была бы фаза экситонного изолятора.

В полупроводниках или изоляторах образование экситона требует преодоления энергии запрещенной зоны Eg, необходимой для создания пары электрон-дырка. Спонтанное образование экситонов требует, чтобы Eb> Eg. Однако Eg обычно намного больше, чем Eb в полупроводниках и изоляторах, что предотвращает спонтанное образование экситонов.

В этой работе исследователи воспользовались сильным кулоновским взаимодействием в очень тонких материалах для продвижения фазы экситонного изолятора в сурьме.

До настоящего времени многие материалы, показывающие ВПЗ, были идентифицированы как кандидаты в экситонные изоляторы.

К сожалению, эти потенциальные экситонные изоляторы демонстрируют сильное периодическое искажение решетки, что указывает на то, что ВПЗ была вызвана электрон-фононной связью, а не экситонными состояниями диэлектрика.

Новое исследование дает убедительные доказательства существования фазы экситонного изолятора в наночешуйках сурьмы.

Три типа изоляторов. (а) Изоляторы с запрещенной зоной на поверхности Ферми, включающие ленточные изоляторы, изоляторы Мотта и изоляторы Андерсона. (б) Топологические изоляторы, где внутри запрещенной зоны имеются топологически защищенные поверхностные состояния. (в) Экситонные изоляторы, где электроны и дырки связаны вместе и образуют экситоны на поверхности Ферми

Этот вопрос обусловлен тем, что MRAM предлагает несколько характеристик, которые могут сделать ее полезной в качестве памяти для широкого круга приложений.

Такой характеристикой является, в частности, задержка, которая существенна для многих приложений. К примеру, Amazon обнаружила, что каждые 100 мс задержки стоили им 1% в продажах.

Одним из распространенных современных применений автономных чипов MRAM является кэширование и буферы для улучшения времени отклика и, следовательно, задержки других запоминающих устройств. Помимо обеспечения быстрого кэширования, MRAM также является энергонезависимой и, таким образом, не требует резервного питания для сохранения данных при отключении напряжения.

Поскольку MRAM может снизить задержку для различных устройств, она может помочь в ЦОД, на границе сетей, а также в конечных точках сети. Низкая латентность может быть особенно важной для высокоскоростных беспроводных сетей, таких как 5G, которые становятся все более распространенными. Во многих из этих приложений используются батареи или другие ограниченные по ресурсам источники питания, и энергонезависимая MRAM здесь особенно полезна.

Современная технология MRAM с переносом спинового момента (Spin Transfer Torque, STT) может заменить SRAM в компьютерных приложениях L4 и L3 для кэширования, а новая технология MRAM с использованием спин-орбитального вращательного момента (Spin Orbit Torque, SOT) может повысить производительность MRAM, поэтому она может использоваться в приложениях L1 и L2.

В число дискретных продуктов MRAM входят системы RAID, контроллеры SSD и HDD и многобайтные буферы внешнего интерфейса (например, используемые в высокопроизводительных твердотельных накопителях). Однако наибольший рост MRAM, как считается, будет достигнут за счет использования ее во встроенных приложениях.

Технологические успехи в производстве STT MRAM дают основание полагать, что в течение 5 лет она обеспечит возможности, подобные DRAM: быстрый произвольный доступ без снижения срока жизни, 10 лет хранения данных и работу в сложных условиях, таких как в автомобилях.

Рост MRAM поддерживается многими поставщиками полупроводникового оборудования, такими как Applied Materials, Canon Anelva, Hitachi, Lam и TEL.

Отчет Emerging Memories are Ramping Up за 2019 г. прогнозирует продажи дискретной MRAM в объеме 4 млрд. долл. к 2029 г. с дополнительным использованием во многих встроенных приложениях.

Спрос есть, и он обусловливает создание инфраструктуры, которая может превратить MRAM в универсальную память.

Продукты MRAM на MRAM Development Day

На протяжении десятилетий транзисторы на наших микросхемах становились все меньше, быстрее и дешевле. Примерно каждые два года число транзисторов на коммерческих чипах удваивается - это явление стало известно как «закон Мура». Но вот уже несколько лет закон Мура больше не действует. Миниатюризация достигла естественного предела, поскольку при приближении к длине шкалы всего в несколько нанометров возникают совершенно новые проблемы.

Теперь, однако, вскоре может стать возможным следующий большой этап миниатюризации - с так называемыми «двумерными (2D) материалами», которые могут состоять только из одного атомного слоя. С помощью нового изолятора из фторида кальция ученые из TU Wien (Вена) создали ультратонкий транзистор, который обладает превосходными электрическими свойствами и, в отличие от предыдущих технологий, может быть миниатюрным до чрезвычайно малых размеров.

Исследования полупроводниковых материалов, необходимых для изготовления транзисторов, в последние годы значительно продвинулись. Сегодня ультратонкие полупроводники могут быть изготовлены из 2D-материалов, состоящих всего из нескольких атомных слоев. «Но этого недостаточно для создания чрезвычайно маленького транзистора, - говорит профессор Тибор Грассер (Tibor Grasser) из Института микроэлектроники в Венском технологическом университете (TU). - В дополнение к ультратонкому полупроводнику нам также нужен ультратонкий изолятор».

Это связано с фундаментальной структурой конструкции транзистора: ток может течь от одной стороны транзистора к другой, но только если напряжение приложено в середине, создавая электрическое поле. Электрод, обеспечивающий это поле, должен быть электрически изолирован от самого полупроводника. «Уже проводились эксперименты на транзисторах со сверхтонкими полупроводниками, но до сих пор они сочетались с обычными изоляторами, - говорит Тибор Грассер. - Нет большой выгоды в уменьшении толщины полупроводника, когда он все еще должен быть объединен с толстым слоем изоляционного материала. Дальнейшей миниатюризации такого транзистора нет. Кроме того, при очень небольшой длине уменьшается поверхность изолятора, что, как оказалось, нарушает электронные свойства полупроводника».

Поэтому Юрий Илларионов, постдок в команде Тибора Грассера, попробовал новый подход. Он использовал ультратонкие 2D-материалы не только для полупроводниковой части транзистора, но и для изолирующей части. Выбирая ультратонкие изоляционные материалы, такие как ионные кристаллы, можно построить транзистор размером всего несколько нанометров. Электронные свойства улучшаются, потому что ионные кристаллы могут иметь совершенно правильную поверхность, при этом ни один атом не выступает из поверхности, что может нарушить электрическое поле.

«Обычные материалы имеют ковалентные связи в третьем измерении - атомы, которые соединяются с соседними материалами сверху и снизу, - объясняет Тибор Грассер. - Это не относится к 2D-материалам и ионным кристаллам, и поэтому они не влияют на электрические свойства полупроводника».

Для производства нового ультратонкого транзистора в качестве изоляционного материала был выбран фторид кальция. Слой фторида кальция был произведен в Институте Иоффе в Санкт-Петербурге, где первый автор публикации, Юрий Илларионов, работал до того, как присоединился к команде в Вене. Затем сам транзистор был изготовлен командой профессора Томаса Мюллера в Институте фотоники TU и проанализирован в Институте микроэлектроники.

Самый первый прототип уже превзошел все ожидания: «В течение многих лет мы получали целый ряд различных транзисторов для исследования их технических свойств, но мы никогда не видели ничего подобного нашему транзистору с изолятором из фтористого кальция, - говорит Тибор Грассер. - Прототип с превосходными электрическими свойствами превосходит все предыдущие модели».

Теперь команда хочет выяснить, какие комбинации изоляторов и полупроводников работают лучше всего. Может потребоваться еще несколько лет, прежде чем технология сможет использоваться для коммерчески доступных компьютерных чипов, поскольку процессы производства для слоев материала все еще нуждаются в улучшении. «В целом, однако, нет никаких сомнений в том, что транзисторы из 2D-материалов являются весьма интересным вариантом для будущего, - говорит Тибор Грассер. - С научной точки зрения ясно, что фториды, которые мы только что протестировали, в настоящее время являются лучшим решением проблемы с изолятором. Теперь осталось ответить только на несколько технических вопросов».

Этот новый тип меньшего и более быстрого транзистора должен позволить компьютерной индустрии сделать следующий большой шаг. Таким образом, закон Мура об экспоненциально увеличивающейся мощности компьютеров скоро может снова ожить.

Схемы нового транзистора: изолятор красного и синего цветов и полупроводник сверху

Квантовая обработка информации обещает быть намного быстрее и безопаснее, чем вычисления на сегодняшних суперкомпьютерах, но пока не существует, потому что ее строительные блоки, кубиты, как известно, нестабильны.

Исследователи из Университета Пердью одними из первых построили затвор - то, что могло бы быть квантовой версией транзистора, используемого в современных компьютерах для обработки информации. В то время как кубиты могут существовать только в суперпозиции состояний 0 и 1, кудиты (qudit) существуют в нескольких состояниях, таких как 0 и 1 и 2. Чем больше состояний, тем больше данных можно кодировать и обрабатывать.

Эти затворы были бы не только более эффективными, чем кубитные, но и более стабильными

Затворы также создают одно из самых больших запутанных состояний квантовых частиц на сегодняшний день - в данном случае, фотонов. Запутывание - это квантовое явление, которое позволяет измерениям состояния одной частицы автоматически влиять на состояния другой частицы, предоставляя возможность сделать связь между сторонами неразрывной или, например, телепортировать квантовую информацию из одной точки в другую.

Чем больше запутанность в так называемом гильбертовом пространстве (математическое пространство, к которому принадлежат Ψ-функции, описывающие квантовый объект) - мире, где может происходить квантовая обработка информации - тем лучше.

Предыдущие фотонные подходы были способны достичь 18 кубитов, закодированных в шести запутанных фотонах в гильбертовом пространстве. Исследователи из Пердью максимизировали запутывание с затворами, используя четыре кудита - эквивалент 20 кубитов - закодированных только в двух фотонах.

«Фотоны дорогие в квантовом смысле, потому что их трудно генерировать и контролировать, поэтому идеально упаковывать как можно больше данных в каждый фотон», - сказал Пулад Имани (Poolad Imany), научный сотрудник Школы электротехники и вычислительной техники в Пердью.

Команда достигла большего запутывания с меньшим количеством фотонов, кодируя один кудит во временном домене, а другой - в частотном домене каждого из двух фотонов. Они создали затвор, используя два кудита, закодированных в каждом фотоне, в общей сложности четыре кудита в 32 измерениях как времени, так и частоты. Чем больше размерность пространства, тем больше запутанность.

Как правило, затворы, построенные на фотонных платформах для манипулирования квантовой информацией, закодированной в отдельных фотонах, работают лишь некоторое время, потому что фотоны в природе не очень хорошо взаимодействуют друг с другом, что делает чрезвычайно сложным манипулирование состоянием одного фотона на основе состояния другой. Кодируя квантовую информацию во временном и частотном доменах фотонов, исследователи из Пердью сделали работу с квантовыми затворами детерминированной, а не вероятностной.

Команда внедрила затвор с набором стандартного оборудования, ежедневно используемого в индустрии оптической связи.

«Этот затвор позволяют нам манипулировать информацией предсказуемым и детерминированным способом, что означает, что он может выполнять операции, необходимые для определенных задач квантовой обработки информации», - сказал Эндрю Вайнер (Andrew Weiner), профессор электротехники и вычислительной техники, чья лаборатория специализируется в области сверхбыстрой оптики.

Впоследствии команда хочет использовать затвор в задачах квантовой связи, таких как квантовая телепортация, а также для выполнения квантовых алгоритмов в таких приложениях, как квантовое машинное обучение или моделирование молекул.

Двусторонний затвор, в числе первых в своем роде, максимизирует запутанность фотонов, так что квантовой информацией можно манипулировать более предсказуемо и надежно

Использование ИИ вступило в новую эру, поскольку компании переходят от простого осмысления того, что технология потенциально может сделать, к ее фактическому использованию для повышения эффективности своего бизнеса.

Эту новую эру называют эпохой «развернутого ИИ» (Deployed AI), о которой вице-президент Google Эндрю Мур сказал в своем блоге, что это означает «видение для преобразования вашего бизнеса».

По словам Мура, развернутый ИИ - это четкая цель использования ИИ, которая может объединить целые организации, объединить команды и привлечь заинтересованные стороны. Более того, это также означает более глубокое понимание рисков и преимуществ технологии, а также стоимости изменений.

«После развертывания, успех должен быть измерим с помощью четких, объективных показателей, - сказал Мур. - Это поощряет непрерывный цикл усовершенствования, позволяя вам постоянно оптимизировать результаты, укрепляя доверие своих пользователей».

Мур привел в пример Unilever Plc., клиента Google, который управляет более чем 400 брендами потребительских товаров и имеет более миллиарда клиентов по всему миру. По его словам, он использует службы ИИ Google для развития более личных отношений с каждым из них.

«Используя широкий спектр потребительских идей вместе с инструментами Google Cloud AI, такими как перевод, визуальная аналитика и обработка естественного языка, Unilever генерирует идеи быстрее, чем когда-либо прежде, и получает совершенно новое понимание того, что заботит их клиентов», - сказал Мур.

Одним из примеров является использование компанией Unilever сервисов Google Cloud Vision API и Natural Language API для анализа показателей маркетинговой кампании по зубным пастам в Южной Азии. Кампания заключалась в поощрении клиентов к отправке фотографий, и для понимания содержания этих изображений использовался API Cloud Vision. Между тем, Natural Language API выявил настроения аудитории, проанализировав комментарии, опубликованные в социальных сетях, касающиеся кампании.

«Вместе, эти идеи постоянно меняли кампанию, давая миллионам пользователей подлинное чувство участия, - сказал Мур. - Кампания охватила почти 500 миллионов человек на разных континентах, что привело к ощутимому позитивному росту вовлеченности бренда и внимания к нему».

Еще один пример успешной стратегии Deployed AI - Meredith Corp., которая управляет сайтом рецептов AllRecipes.com и другими медийными брендами. Meredith создала сайт AllRecipe, используя процесс ручного просмотра, который занял несколько лет, и позволил получить контент, который легко классифицировать и ориентировать на основе предпочтений пользователя. Затем компания воспользовалась сервисом Google AutoML Natural Language, чтобы за несколько недель повторить этот процесс для более чем 40 других своих брендов, создав индивидуальный, готовый к использованию классификатор контента для каждого из них на основе существующих данных.

«Deployed AI - это то, что возможно, когда технологии, такие как машинное обучение, становятся зрелыми, и поэтому мы считаем, что переход от прорывов ИИ к приложениям ИИ станет самой захватывающей главой в его истории», - сказал Мур.