`

СПЕЦИАЛЬНІ
ПАРТНЕРИ
ПРОЕКТА

BEST CIO

Определение наиболее профессиональных ИТ-управленцев, лидеров и экспертов в своих отраслях

Человек года

Кто внес наибольший вклад в развитие украинского ИТ-рынка.

Продукт года

Награды «Продукт года» еженедельника «Компьютерное обозрение» за наиболее выдающиеся ИТ-товары

 

Ускоренная печать гибкой электроники

Исследователи из Института науки и технологий Тэгу Кёнбук (DGIST) в Корее разработали новую технологию, которая обеспечивает более эффективную и действенную переносимую печать для гибкой электроники. Этот метод может улучшить производство прецизионных устройств, таких как биосенсоры и носимые устройства.

«Наша исследовательская группа первой разработала технологию мгновенной сухой переносимой печати, которую можно использовать как в малых, так и в больших масштабах без необходимости в дорогостоящем оборудовании», - объясняет Сынкён Хео (Seungkyoung Heo), один из ведущих авторов исследования DGIST.

Переносимая печать берет функциональные элементы из одного материала и применяет их к другому материалу. С помощью этого метода можно производить гибкие и растяжимые электронные устройства, используемые в широком спектре приложений, таких как системы беспроводной связи, носимые мониторы состояния здоровья и гибкие электронные дисплеи.

Наиболее распространенная технология производства, называемая печатью с влажным переносом, имеет ряд недостатков, ограничивающих ее использование. К ним относятся ограниченная точность, длительное время обработки и смещение или деформация устройства, вызванные движением жидкости во время процесса печати. В последние годы были разработаны альтернативные методы печати с сухим переносом, но они требуют определенных условий или дорогостоящего оборудования, такого как лазеры, поэтому они не получили широкого распространения.

Инновационная технология печати для гибкой электроники, разработанная исследователями DGIST, является наиболее универсальным и масштабируемым методом сухого переноса на сегодняшний день. Важно отметить, что этот метод может использоваться небольшими исследовательскими центрами без доступа к обычному оборудованию для печати методом сухого переноса.

В новой технике печати используется тот факт, что различные материалы расширяются с разной скоростью при нагревании. Укладывая устройство для печати на поверхность, к которой оно будет прикреплено, и затем повышая температуру, этот метод вызывает термическое напряжение, которое создает трещины между слоями. Это позволяет успешно разделять слои после печати, обеспечивая надежную и мгновенную освобождение устройства.

В этом исследовании ученые продемонстрировали высокую универсальность этой гибкой электронной техники, создав датчик электрокардиограммы, датчик газа, оптогенетический зонд и антенну для беспроводной передачи энергии.

Лабораторный анализ подтвердил, что новая технология печати точнее и быстрее, чем традиционные методы печати с мокрым переносом. Новый метод печати с сухим переносом занимает всего несколько секунд и сохраняет исходную форму и структуру устройства после процесса освобождения, в отличие от печати с влажным переносом, которая выполняется медленнее и может вызвать образование складок. Технику сухой печати также можно масштабировать, чтобы приспособить к разным размерам и формам рисунков, и ее можно интегрировать с другими широко используемыми печатными инструментами.

Она также имеет то преимущество, что может точно переносить устройства со сложной структурой, что может повысить производительность в индустрии точных устройств и высокотехнологичных отраслях.

«Теперь мы планируем дальнейшую оптимизацию технологии, интегрировав ее со многими биосенсорами, системами беспроводной передачи энергии и растягиваемыми устройствами, которые изучаются в нашей лаборатории», - говорит Чондэ Ха (Jeongdae Ha), другой ведущий автор исследования DGIST.

Ускоренная печать гибкой электроники

(A) Схематическое изображение процесса печати с сухим переносом в зависимости от уровня диффузии атомов материала с высоким коэффициентом теплового расширения. Процесс подразделяется на слой с низкой взаимной диффузией (Au) и слой (B) с высокой взаимной диффузией (Cu), что требует наличия противоатомного диффузионного слоя

IBM и Токийский университет представляют квантовый компьютер

IBM и Токийский университет представили самый мощный квантовый компьютер в Японии в рамках своего продолжающегося сотрудничества по развитию квантовой науки, бизнеса и образования.

IBM Quantum System One теперь работает для исследователей как в научных учреждениях, так и на предприятиях Японии, и доступ к нему находится в ведении Токийского университета. Квантовый компьютер предлагает пользователям доступ к воспроизводимой и предсказуемой производительности высококачественных кубитов и высокоточной управляющей электроники с квантовыми ресурсами, тесно связанными с классической обработкой, чтобы пользователи могли безопасно запускать алгоритмы, требующие повторения квантовых схем, в облаке.

В 2020 году IBM и Токийский университет запустили Консорциум квантовых инноваций с целью стратегического ускорения исследований и разработок в области квантовых вычислений в Японии за счет объединения академических талантов из университетов страны, известных исследовательских ассоциаций и крупной промышленности. Помимо IBM и Токийского университета, членами являются DIC, Hitachi, JSR, Университет Кейо, Mitsubishi Chemical, Mizuho, MUFG, Sony, Sumitomo Mitsui Trust Bank, Toshiba, Toyota и Yokogawa. QIIC последовал за созданием IBM и Токийским университетом квантового партнерства между Японией и IBM в 2019 году.

Это вторая квантовая компьютерная система, которая будет построена за пределами Соединенных Штатов после недавнего открытия IBM Quantum System One в Германии под управлением Fraunhofer Geselleschaft, ведущего научно-исследовательского учреждения Германии.

«В быстро меняющейся области квантовой технологии чрезвычайно важно не только разрабатывать элементы и системы, связанные с квантовыми технологиями, но также способствовать развитию человеческих ресурсов следующего поколения для достижения продвинутой социальной реализации в глобальном масштабе, - сказал Теруо Фудзи (Teruo Fujii), президент Токийского университета. - Наш университет обладает обширной базой талантов в области исследования и всегда продвигал квантовое образование высокого уровня на уровне бакалавриата. Теперь мы продолжим совершенствовать разработку следующего поколения наборов навыков квантового естественного обучения, используя IBM Quantum System One».

IBM и Токийский университет представляют квантовый компьютер

IBM Quantum System One будет служить растущему сообществу квантовых компьютеров в области промышленных и научных исследований в Японии

Китай намерен построить космическую солнечную электростанцию

Согласно правительственному плану, Китай планирует к 2030 году разместить в космосе солнечную электростанцию мощностью 1 МВт.

Город Чунцин на юго-западе Китая, где более трети дней круглый год окутывает туман, не является идеальным местом для установки солнечной электростанции. Но вскоре, примерно за десять лет, в стране появится первая экспериментальная установка для испытания революционной технологии, позволяющей Китаю отправлять и получать мощный энергетический луч из космоса, по словам ученых, участвовавших в проекте.

Получение энергии от Солнца и передача ее на Землю с использованием огромной инфраструктуры на орбите считалась научной фантастикой, но согласно плану китайского правительства, к 2030 году страна разместит в космосе солнечную электростанцию мощностью 1 МВт.

А к 2049 году, когда Китайская Народная Республика отпразднует свой юбилей, общая мощность станции или заводов увеличится до 1 ГВт, что эквивалентно нынешнему крупнейшему ядерному энергетическому реактору.

После закладки в деревне Хэпин, район Бишань, три года назад строительство наземного испытательного центра стоимостью 100 миллионов юаней (15,4 миллиона долларов США) для национальной космической программы солнечной энергетики было остановлено, отчасти из-за дебатов о стоимости, осуществимости и безопасности технологии. По словам проф. электротехники Чжун Юаньчан (Zhong Yuanchang), участвовавшем в проекте с Чунцинским университетом, проект возобновился в июне, а завершение планируется к концу этого года.

Интенсивный энергетический луч должен эффективно проникнуть через облако и напрямую и точно попасть в наземную станцию. Исследователи учреждения Бишан будут работать над этими и другими проектами. 

Солнечная энергетическая установка неэффективна, потому что она работает только днем, а атмосфера отражает или поглощает почти половину энергии солнечного света.

С 1960-х годов некоторых ученых и инженеров-космонавтов привлекла идея создания солнечной станции в космосе. С высоты 36 000 км или выше геостационарная солнечная установка может избегать тени Земли и видеть солнце 24 часа в сутки.

Потери энергии в атмосфере также можно сократить до минимума (около 2%), посылая энергию в виде высокочастотных микроволн.

За последние несколько десятилетий во всем мире предлагались различные формы солнечных электростанций, но они оставались теоретическими из-за серьезных технических проблем.

В Бишане китайским исследователям сначала нужно было доказать, что беспроводная передача энергии работает на большом расстоянии.

Хотя инженер и изобретатель Никола Тесла популяризировал эту идею в конце XIX века, технология была ограничена лишь небольшим количеством приложений ближнего действия, таких как беспроводное зарядное устройство для смартфонов.

Тесла потерпел неудачу отчасти потому, что заставил электричество распространяться по воздуху, как волны во всех направлениях. Чтобы увеличить эффективный диапазон, энергия должна быть сконцентрирована в сильно сфокусированном пучке.

Основная экспериментальная зона будет площадью 2 гектара (4,9 акра) и будет окружена зоной очистки в пять раз большей.

Согласно некоторым недавним исследованиям, проведенным в Китае, угроза безопасности использования космической солнечной электростанции немалая.

Когда огромные солнечные панели поворачиваются, например, в погоню за солнцем, они могут производить небольшие, но постоянные вибрации в микроволновом излучателе, которые могут вызвать промахи. Следовательно, «космической ферме» потребуется чрезвычайно сложная система управления полетом, чтобы поддерживать цель в крошечном месте на Земле.

Еще одна опасность - радиация. Согласно одному расчету, сделанному в прошлом году исследовательской группой Пекинского университета Цзяотун, люди не могли бы жить в пределах 5 км от наземной приемной станции для космической солнечной электростанции мощностью 1 ГВт.

Даже поезд, находящийся на расстоянии более 10 км, может столкнуться с такими проблемами, как внезапная потеря связи, поскольку частота микроволн под напряжением может повлиять на Wi-Fi.

После того, как правительство объявило о своей цели достичь нулевого уровня выбросов углерода к 2060 году, проект получил мощную поддержку со стороны энергетического сектора, так как солнечная и ветровая энергия нестабильны.

К компьютерам следующего поколения

Человеческий мозг хранит секреты нашей уникальной личности. Но знаете ли вы, что он также может лечь в основу высокоэффективных вычислительных устройств? Исследователи из Университета Нагоя, Япония, недавно показали, как это сделать с помощью соединений графен-алмаз, имитирующих некоторые функции человеческого мозга.

Но зачем ученым пытаться подражать человеческому мозгу? Сегодня существующие компьютерные архитектуры обрабатывают сложные данные, что ограничивает их скорость обработки. С другой стороны, человеческий мозг может обрабатывать очень сложные данные, такие как изображения, с высокой эффективностью. Поэтому ученые пытались создать «нейроморфную» архитектуру, имитирующую нейронную сеть в головном мозге.

Феномен, необходимый для памяти и обучения, - это «синаптическая пластичность», способность синапсов (нейронных связей) адаптироваться в ответ на повышенную или пониженную активность. Ученые пытались воссоздать подобный эффект, используя транзисторы и мемристоры. Недавно разработанные мемристоры с управлением светом, или «фотомемристоры», могут как обнаруживать свет, так и обеспечивать энергонезависимую память, подобную зрительному восприятию и памяти человека. Эти превосходные свойства открыли дверь в совершенно новый мир материалов, которые могут действовать как искусственные оптоэлектронные синапсы!

Это побудило исследовательскую группу из Университета Нагоя разработать соединения графен-алмаз, которые могут имитировать характеристики биологических синапсов и ключевых функций памяти, открывая двери для устройств памяти с распознаванием изображений следующего поколения. В своем недавнем исследовании, опубликованном в Carbon, ученые во главе с доктором Кенджи Уэда (Kenji Ueda) продемонстрировали оптоэлектронные синаптические функции с использованием соединений между вертикально ориентированным графеном (VG) и алмазом. Изготовленные соединения имитируют биологические синаптические функции, такие как производство «возбуждающего постсинаптического тока» (EPSC) - заряда, индуцируемого нейротрансмиттерами на синаптической мембране - при стимуляции оптическими импульсами и демонстрируют другие основные функции мозга, такие как переход от кратковременная память (STM) в долговременную память (LTM).

Доктор Уэда объясняет: «Наш мозг хорошо оснащен, чтобы просеивать доступную информацию и хранить то, что важно. Мы пробовали нечто подобное с нашими массивами алмазов VG, которые имитируют человеческий мозг при воздействии оптических стимулов». Он добавляет: «Это исследование было инициировано открытием в 2016 году, когда мы обнаружили большое оптически индуцированное изменение проводимости в переходах графен-алмаз». Помимо EPSC, STM и LTM, переход также показывают улучшение парных импульсов на 300% - увеличение постсинаптического тока, когда ему непосредственно предшествует синапс.

Массивы VG-алмаза подвергались окислительно-восстановительным реакциям, индуцированным флуоресцентным светом и синими светодиодами под напряжением смещения. Исследователи объяснили это наличием по-разному гибридизованных атомов графена и алмаза на границе перехода, что привело к миграции ионов в ответ на свет и, в свою очередь, позволило переходам выполнять светочувствительные и фотоуправляемые функции, аналогичные тем, которые выполняются мозгом и сетчаткой. Кроме того, массивы VG-алмаза превзошли характеристики обычных светочувствительных материалов на основе редких металлов с точки зрения светочувствительности и простоты конструкции.

Доктор Уэда говорит: «Наше исследование обеспечивает лучшее понимание рабочего механизма, лежащего в основе искусственного оптоэлектронного синаптического поведения, открывая путь для оптически управляемых компьютеров, имитирующих мозг, с лучшими возможностями обработки информации, чем существующие компьютеры». Будущее вычислений следующего поколения, возможно, не так уж и далеко!

К компьютерам следующего поколения

Схематические изображения оптоэлектронных синаптических функций вертикально ориентированных переходов графен/алмаз

Новые средства хранения информации для квантовых технологий?

Квантовая информация может быть причиной следующей технологической революции. По аналогии с битом в классических вычислениях кубит является основным элементом квантовых вычислений. Однако демонстрация существования этого устройства хранения информации и его использование остается сложной и, следовательно, ограниченной.

В исследовании, опубликованном 3 августа 2021 года в Physical Review X, международная исследовательская группа, состоящая из ученых CNRS Фабио Пистолези (Fabio Pistolesi) и двух иностранных исследователей, использовала теоретические расчеты, чтобы показать, что можно реализовать новый тип кубита, в котором информация хранится в колебаниях амплитуды углеродной нанотрубки. Эти нанотрубки могут совершать большое количество колебаний без затухания, что показывает их низкий уровень взаимодействия с окружающей средой и делает их отличными потенциальными кубитами. Это свойство позволит повысить надежность квантовых вычислений.

Тем не менее сохраняется проблема с чтением и записью информации, хранящейся на первых двух энергетических уровнях этих осцилляторов. Ученые успешно доказали, что эту информацию можно прочитать, используя связь между электронами и изгибной модой этих нанотрубок.

Это изменяет расстояние между первыми уровнями энергии в достаточной степени, чтобы сделать их доступными независимо от других уровней, тем самым позволяя читать информацию, которую они содержат. Эти многообещающие теоретические предсказания еще не подтверждены экспериментально.

Новые средства хранения информации для квантовых технологий?

Изображение изгибной моды нанотрубки, представленной здесь бирюзово-синим цветом, и положения электронов в трубке красным и коричневым цветом

Новое устройство для хранения и обработки информации

Группа ученых разработала средство для создания нового типа памяти, что стало заметным прорывом во все более сложной области искусственного интеллекта.

«Квантовые материалы открывают большие перспективы для улучшения возможностей современных компьютеров, - объясняет Эндрю Кент (Andrew Kent), физик из Нью-Йоркского университета и один из старших исследователей. - Работа опирается на их свойства при создании новой структуры вычислений».

О творении, разработанном в сотрудничестве с исследователями из Калифорнийского университета Сан-Диего (UCSD) и Университета Париж-Сакле, сообщается в Scientific Reports.

«Поскольку обычные вычисления достигли своих пределов, разрабатываются новые вычислительные методы и устройства, - добавляет Айвен Шуллер (Ivan Schuller), физик из Калифорнийского университета в США и один из авторов статьи. - Они могут произвести революцию в вычислениях, и в один прекрасный день они могут соперничать с человеческим мозгом».

В последние годы ученые стремились добиться прогресса в так называемых «нейроморфных вычислениях» - процессе, который пытается имитировать функции человеческого мозга. Из-за своих человеческих характеристик он может предлагать более эффективные и новаторские способы обработки данных с использованием подходов, недостижимых с помощью существующих вычислительных методов.

Исследователи создали новое устройство, которое знаменует собой значительный прогресс, уже достигнутый в этой области.

Для этого они построили наноконстрикционный спинтронный резонатор, позволяющий манипулировать известными физическими свойствами новаторскими способами.

Резонаторы способны генерировать и сохранять волны четко определенных частот - наподобие ящика струнного инструмента. Здесь ученые сконструировали резонатор нового типа - способный хранить и обрабатывать информацию, подобно синапсам и нейронам в головном мозге. Один, описанный в Scientific Reports, сочетает в себе уникальные свойства квантовых материалов со свойствами спинтронных магнитных устройств.

Устройства спинтроники - это электроника, которая использует спин электрона в дополнение к его электрическому заряду для обработки информации способами, которые уменьшают энергию, увеличивая при этом емкость хранения и обработки по сравнению с более традиционными подходами. Такое широко используемое устройство, «генератор крутящего момента», работает на определенной частоте. Сочетание его с квантовым материалом позволяет настраивать эту частоту и, таким образом, значительно расширяет область его применения.

«Это фундаментальное достижение, которое находит применение в вычислениях, особенно в нейроморфных вычислениях, где такие резонаторы могут служить связями между вычислительными компонентами», - отмечает Кент.

Новое устройство для хранения и обработки информации

Схема наноконстрикционного спинтронного резонатора (а), на котором изображены электрические контакты сигнала (S) и заземления (G), а также ток (b), измеренный при 200 нанометрах

Запуск квантового ПО на классическом компьютере

В статье, опубликованной в Nature Quantum Information, проф. EPFL Джузеппе Карлео (Giuseppe Carleo) и аспирант Колумбийского университета и Института Флэтайрон в Нью-Йорке Матия Медвидович (Matija Medvidoviс), нашли способ выполнять сложный алгоритм квантовых вычислений на традиционных компьютерах вместо квантовых компьютеров.

Конкретное «квантовое программное обеспечение», которое они рассматривают, известно как алгоритм квантовой приближенной оптимизации (QAOA) и используется для решения классических задач оптимизации в математике; по сути, это способ выбрать лучшее решение проблемы из набора возможных решений. «Существует большой интерес к пониманию того, какие проблемы могут быть эффективно решены с помощью квантового компьютера, и QAOA является одним из наиболее заметных кандидатов», - говорит проф. Карлео.

В конечном итоге QAOA призван помочь нам на пути к знаменитому «квантовому ускорению», предсказанному увеличению скорости обработки данных, которого мы можем достичь с помощью квантовых компьютеров вместо обычных. Понятно, что у QAOA есть ряд сторонников, в том числе Google, которые нацелены на квантовые технологии и вычисления в ближайшем будущем: в 2019 году они создали Sycamore, 53-кубитный квантовый процессор, и использовали его для выполнения задачи, на которую у современного классического суперкомпьютера уйдет около 10 000 лет. Sycamore выполнила ту же задачу за 200 секунд.

В своем исследовании Карлео и Медвидович решили ключевой открытый вопрос в этой области: могут ли алгоритмы, работающие на современных и будущих квантовых компьютерах, предложить значительное преимущество перед классическими алгоритмами для задач, представляющих практический интерес? «Если мы хотим ответить на этот вопрос, нам сначала нужно понять пределы классических вычислений при моделировании квантовых систем», - говорит Карлео. Это особенно важно, поскольку нынешнее поколение квантовых процессоров работает в режиме, когда они совершают ошибки при запуске квантового «программного обеспечения» и, следовательно, могут выполнять только алгоритмы ограниченной сложности.

Используя обычные компьютеры, два исследователя разработали метод, который может приблизительно моделировать поведение специального класса алгоритмов, известных как вариационные квантовые алгоритмы, которые представляют собой способы определения состояния с наименьшей энергией или «основного состояния» квантовой системы. QAOA - один из важных примеров такого семейства квантовых алгоритмов, которые, по мнению исследователей, являются одними из самых многообещающих кандидатов на «квантовое преимущество» в квантовых компьютерах в ближайшем будущем.

Подход основан на идее, что современные инструменты машинного обучения, например те, которые используются для изучения сложных игр, таких как го, также могут использоваться для изучения и имитации внутренней работы квантового компьютера. Ключевым инструментом для этого моделирования являются Neural Network Quantum States, искусственная нейронная сеть, которую Карлео разработал в 2016 году с Матиасом Тройером (Matthias Troyer) и которая теперь впервые использовалась для моделирования QAOA. Результаты считаются прерогативой квантовых вычислений и устанавливают новый стандарт для будущего развития квантового оборудования.

«Наша работа показывает, что QAOA, который можно запустить на современных и будущих квантовых компьютерах, можно смоделировать с хорошей точностью и на классическом компьютере, - говорит Карлео. - Однако это не означает, что все возможные квантовые алгоритмы, которые могут быть запущены на квантовых процессорах в ближайшем будущем, могут быть эмулированы классическим способом. На самом деле, мы надеемся, что наш подход послужит руководством для разработки новых квантовых алгоритмов, которые одновременно полезны и трудны для моделирования на классических компьютерах».

Запуск квантового ПО на классическом компьютере

Spin-sonics: акустическая волна заставляет электроны вращаться

Группа немецких и американских исследователей из Аугсбурга, Мюнстера, Эдмонтона, Западного Лафайета и Мюнхена обнаружила катящееся движение наноакустической волны, предсказанное известным физиком и лауреатом Нобелевской премии лордом Рэлеем в 1885 году. Исследователи используют нанопроволоку, внутри которой электроны вынуждены двигаться по круговым траекториям посредством вращения акустической волной. Это явление может найти применение в акустических квантовых технологиях или в так называемых фононных компонентах, которые используются для управления распространением акустических волн.

Акустические волны широко используются в современной нанофизике, поскольку они могут влиять как на электронные, так и на фотонные системы. Например, мельчайшие микроакустические чипы в компьютерах, смартфонах или планшетах обеспечивают электронную обработку принимаемых беспроводных сигналов. Однако, несмотря на широкое применение наноакустических волн, фундаментальное свойство вращения наноакустической волны до сих пор не было обнаружено.

«Со времени новаторской работы лорда Рэлея стало известно, что существуют акустические волны, которые распространяются по поверхности твердых тел и демонстрируют очень характерное эллиптическое качение, - объясняет доктор Хуберт Креннер (Hubert Krenner), профессор физики, возглавлявший исследование в университете г. Аугсбурга и недавно переехавший в Мюнстерский университет. - В случае наноакустических волн нам теперь удалось непосредственно наблюдать это поперечное вращение, которое мы, физики, называем это движение».

В своем исследовании ученые использовали очень тонкую нанопроволоку, которую поместили на пьезоэлектрический материал - ниобат лития. Этот материал деформируется под действием электрического тока, и с помощью небольших металлических электродов на материале может создаваться акустическая волна. На поверхности материала акустическая волна генерирует эллиптически вращающееся электрическое поле. Это, в свою очередь, заставляет электроны в нанопроволоке двигаться по круговой траектории. Профессор Зубин Джейкоб (Zubin Jacob) из Университета Пердью очень доволен результатом. «До сих пор мы знали об этом явлении для света, - говорит он, - теперь нам удалось продемонстрировать, что это универсальный эффект, который также проявляется в других типах волн, таких как звуковые волны, на технологически важной платформе - ниобате лития».

Представленные результаты исследований являются важной вехой, поскольку впервые наблюдаемое поперечное вращение можно использовать специально для управления наносистемами или передачи информации. Как объясняет Максимилиан Зоннер (Maximilian Sonner), аспирант Института физики в Аугсбурге, «мы наблюдаем движение электронов в нанопроволоках, которые были созданы в Техническом университете Мюнхена, с помощью света, излучаемого электронами».

Исследователи убеждены, что универсальный принцип спиновой физики, лежащий в основе этого явления, приведет к важным технологическим достижениям. «Исследование, опубликованное в журнале Science Advances, - это всего лишь первый шаг, но решающий», - говорит Хуберт Креннер. В настоящее время исследователи прилагают все усилия, чтобы связать поперечный спин акустических волн со вращением других волн. «Что нам нужно сделать дальше, - говорит Зубин Джейкоб, - это использовать это поперечное акустическое вращение специально для того, чтобы управлять оптическими квантовыми системами или, например, вращением света».

Spin-sonics акустическая волна заставляет электроны вращаться

Представление вращения наноакустической волны. Она распространяется в нанопроволоке, лежащей на пьезоэлектрическом материале. Маленькие стрелки символизируют направление и силу вращающегося электрического поля. Большие стрелки вверху показывают направление распространения и поперечное вращение звуковой волны. Цветовая кодировка в нанопроволоке или кристалле указывает пьезоэлектрический потенциал (синий: минимум, красный: максимум)

Беспроводная зарядка нескольких устройств одновременно

Мобильные телефоны и планшеты позволяют нам оставаться на связи независимо от нашего местоположения, но при этом они по-прежнему полагаются на вилки, розетки и зарядные устройства. Новая технология, разработанная в Университете Аалто, может стать ключом к настоящей беспроводной зарядке для этой и другой электроники в ближайшие годы. В исследовательскую группу входили д-р Прасад Джаятуратнаге (Prasad Jayathurathnage) и д-р Сяоцзе Дан (Xiaojie Dang), а также профессора Сергей Третьяков и Константин Симовский. Результаты опубликованы в IEEE Transactions on Industrial Electronics в июле 2021 г.

В то время как исследователи во всем мире работают над беспроводной зарядкой в свободном положении, которая бы отсоединяла устройства от установленных точек зарядки, наиболее распространенные решения включают сложные функции контроля и обнаружения. Передатчик традиционно должен сначала определить присутствие и положение устройства, чтобы иметь возможность отправлять энергию в его направлении. Обычно это делается с помощью камер или датчиков, что увеличивает объем и стоимость устройства.

Новый передатчик обходит эту потребность, создавая каналы передачи мощности во всех направлениях, автоматически настраивая каналы, когда приемные устройства находятся в движении. Такие устройства, как телефоны, ноутбуки и другие небольшие устройства, оснащенные новым приемником, могут одновременно получать энергию для зарядки аккумуляторов или напрямую обеспечивать питание своих функций - без физического контакта или доставки в определенное место.

«Этот передатчик отличает то, что он самонастраивается, то есть, вам не нужна сложная электроника для подключения к приемникам, встроенным в устройства. Поскольку он самонастраивается, вы также можете свободно перемещать устройство в широком диапазоне расстояний зарядки», - объясняет д-р Прасад Джаятуратнаге, научный сотрудник Университета Аалто.

Команда добилась такого эффекта благодаря конструкции катушек, используемых в передатчике. Наматывая катушки определенным образом, они создают два вида электромагнитных полей: одно направленное наружу, а другое - вокруг. Эти поля соединяют приемник и передатчик для достижения эффективной передачи энергии.

В настоящее время передатчик имеет высокий КПД – 90% на расстоянии до 20 с, но продолжает работать на больших расстояниях, только с более низкой эффективностью передачи энергии. В принципе, диапазон пиковой эффективности может увеличиваться по мере совершенствования технологии.

«На данный момент максимальная дальность действия при максимальной эффективности зависит от размера передатчика и приемника. При правильном проектировании мы могли бы уменьшить их», - комментирует д-р Джаятуратнаге.

Хотя команда продемонстрировала доказательство концепции, все еще необходимы тесты безопасности, чтобы подтвердить, что электромагнитное поле, создаваемое передатчиком, не опасно для человека. Однако ясно, что результирующее электрическое поле, которое, как известно, является основной причиной потенциально вредных эффектов, минимально, поскольку технология основана на магнитных полях.

«Настоящая беспроводная зарядка означает больше личной свободы. Вам не придется беспокоиться о том, куда вы положили свой телефон или не забыли ли вы его подключить», - говорит д-р Джаятуратнаге.

Исследовательская группа уже подала заявку на патент на передатчик. Эта же группа также разрабатывает возможности беспроводной зарядки для промышленных приложений в рамках проекта Parkzia, который превращает любую точку ожидания для роботов с электрическими двигателями, в точку зарядки.

Беспроводная зарядка нескольких устройств одновременно

Настоящая беспроводная зарядка будет означать немного меньше хлопот в мире, который все больше зависит от умных устройств

Топологические материалы для сверхбыстрой спинтроники

Законы квантовой физики управляют микромиром. Они определяют, например, насколько легко электроны движутся через кристалл и, таким образом, является ли материал металлом, полупроводником или диэлектриком. Квантовая физика может приводить к экзотическим свойствам в определенных материалах: в так называемых топологических изоляторах только электроны, которые могут занимать определенные квантовые состояния, могут свободно перемещаться, как безмассовые частицы, по поверхности, в то время как эта подвижность полностью отсутствует для электронов в объеме. Более того, электроны проводимости в «коже» материала обязательно поляризованы по спину и образуют устойчивые металлические поверхностные состояния, которые можно использовать в качестве каналов для возбуждения чистых спиновых токов в фемтосекундных временных масштабах (1 фс = 10 -15 с).

Эти свойства открывают захватывающие возможности для разработки новых информационных технологий на основе топологических материалов, таких как сверхбыстрая спинтроника, за счет использования спина электронов на их поверхности, а не заряда. В частности, оптическое возбуждение фемтосекундными лазерными импульсами в этих материалах представляет собой многообещающую альтернативу для реализации высокоэффективной передачи спиновой информации без потерь. Спинтронные устройства, использующие эти свойства, обладают потенциалом превосходных характеристик, поскольку они позволят увеличить скорость передачи информации до частот в тысячу раз быстрее, чем в современной электронике.

Тем не менее, прежде чем можно будет разработать устройства спинтроники, необходимо ответить на многие вопросы. Например, подробности того, как именно объемные и поверхностные электроны топологического материала реагируют на внешний стимул, то есть лазерный импульс, и степень перекрытия в их коллективном поведении в ультракоротких временных масштабах.

Команда, возглавляемая физиком из HZB доктором Хайме Санчес-Баррига (Jaime Sánchez-Barriga), теперь по-новому взглянула на такие механизмы. Команда, которая также создала Совместную исследовательскую группу в сотрудничестве с коллегами из Государственного университета им. М. В. Ломоносова, Москва, исследовала монокристаллы элементарной сурьмы (Sb), которые ранее предлагались в качестве топологического материала. «Это хорошая стратегия - изучать интересную физику в простой системе, потому что именно там мы можем надеяться понять фундаментальные принципы, - объясняет д-р Санчес-Баррига. Экспериментальная проверка топологических свойств этого материала потребовала от нас непосредственного наблюдения за его электронной структурой в высоковозбужденном состоянии с разрешением по времени, спину, энергии и импульсу, и таким образом мы получили доступ к необычной динамике электронов», - добавляет Санчес-Баррига.

Цель состояла в том, чтобы понять, как быстро возбужденные электроны в объеме и на поверхности Sb реагируют на поступление внешней энергии, и изучить механизмы, управляющие их откликом. «Управляя временной задержкой между начальным лазерным возбуждением и вторым импульсом, которая позволяет нам исследовать электронную структуру, мы смогли построить полную разрешенную во времени картину того, как возбужденные состояния покидают и возвращаются в равновесие в сверхбыстрых временных масштабах. Уникальное сочетание времени и возможностей спинового разрешения также позволило нам напрямую исследовать спиновую поляризацию возбужденных состояний, находящихся далеко от равновесия», - говорит д-р Оливер Дж. Кларк (Oliver J. Clark).

Данные демонстрируют «изгибную» структуру энергетическо-импульсной дисперсии поверхностных состояний, которую можно интерпретировать как увеличение эффективной массы электрона. Авторам удалось показать, что это увеличение массы играет решающую роль в определении сложного взаимодействия в динамическом поведении электронов из объема и поверхности, также в зависимости от их спина, после сверхбыстрого оптического возбуждения.

«Наше исследование показывает, какие существенные свойства этого класса материалов являются ключом к систематическому контролю соответствующих временных масштабов, в которых могут генерироваться и управляться спин-поляризованные токи без потерь», - объясняет Санчес-Баррига. Это важные шаги на пути к устройствам спинтроники, основанным на топологических материалах, обладающих расширенными функциональными возможностями для сверхбыстрой обработки информации.

Топологические материалы для сверхбыстрой спинтроники

Снимки электронной структуры Sb, полученные с фемтосекундным разрешением. Обращает внимание изменение спектрального веса выше энергии Ферми

 
 

  •  Home  •  Рынок  •  ИТ-директор  •  CloudComputing  •  Hard  •  Soft  •  Сети  •  Безопасность  •  Наука  •  IoT