Поиск

Международная группа ученых, состоящая из российских, британских и германских специалистов в области квантовых технологий, создала революционную технологию кубитов, основанную не на джозефсоновском переходе, представляющем собой разрыв в сверхпроводнике, а на сплошной сверхпроводящей нанопроволоке. О своей работе исследователи поделились в журнале Nature Physics. В мире пока нет универсальных квантовых компьютеров, способных справляться с любыми задачами, однако разрабатываемые методы и принципы вычислений уже сейчас позволяют решать сверхсложные задачи. Например, с помощью кубитов моделируют химические соединения и материалы, воссоздают механизм процессов фотосинтеза. На данный момент существует несколько типов кубитов, но у каждого из них имеется недостаток, который снижает эффективность их работы. Например, созданные кубиты, способные работать в оптическом диапазоне, сложно масштабировать, в отличие от кубитов на сверхпроводниках, работающих в радиодиапазоне и основанных на так называемых джозефсоновских переходах. Каждый такой переход представляет собой разрыв сверхпроводника, а точнее, слой диэлектрика, через который туннелируют электроны. Новый тип кубита основан на эффекте квантового проскальзывания фазы – контролируемого периодического разрушения и восстановления сверхпроводимости в сверхтонкой (порядка 4 нм толщиной) нанопроволоке, которая в обычном состоянии имеет довольно большое сопротивление. Алексей Устинов, являющийся соавтором новой работы, руководителем группы Российского квантового центра, заведующим лабораторией «Сверхпроводящие метаматериалы» НИТУ «МИСиС», а также профессором Института технологий Карлсруэ, отметил, что сейчас удалось создать новый тип сверхпроводящих устройств, во многом аналогичных СКВИДу (SQUID, Superconducting Quantum Interference Device — «сверхпроводящий квантовый интерферометр»). СКВИД представляет собой сверхчувствительный магнитометр, основанный на джозефсоновских переходах и использующийся для измерения слабых магнитных полей. Однако интерференция в новом устройстве вызывается не магнитным полем, а электрическим, которое меняет электрический заряд на островке между двумя нанопроволоками. Эти нанопроволоки играют в устройстве роль джозефсоновских переходов, но при этом не требуют создания разрывов и могут быть изготовлены из одного слоя сверхпроводника. Алексей Устинов отмечает: в данной работе удалось показать, что эта система может работать как зарядовый интерферометр. «Если нанопроволоку разбить на два участка и сделать в центре утолщение, то, меняя затвором заряд на этом утолщении, можно фактически делать периодическую модуляцию процесса квантового туннелирования магнитных квантов через проволоку, что в этой работе и наблюдается», — прокомментировал ученый. Это ключевой момент, доказывающий, что получен управляемый и когерентный эффект и что его можно применять для создания кубитов нового поколения. Также Устинов рассказал, что разработка обладает не меньшей функциональностью, чем предыдущие, но более проста в изготовлении. Новая технология может стать в основе принципа работы всего набора элементов сверхпроводящей электроники.

Стандартные системы виртуальной и дополненной реальности должны отслеживать движения человека для того, чтобы предоставить ему возможность взаимодействовать с виртуальными объектами. Обычно это делается при помощи системы камер с высокой разрешающей способностью, но, к сожалению, такой метод работает хорошо лишь по отношению к движениям с большой амплитудой. Для определения коротких движений, шевеления кончиками пальцев, к примеру, разрешающей способности таких систем обычно не хватает. Однако, с задачей регистрации даже самых мелких движений успешно справляется новый тип "электронной кожи", которая помимо систем виртуальной реальности может быть использована в протезировании, в мягкой робототехнике и в других областях. Основой новой "электронной кожи" являются датчики магнитного поля, регистрирующие параметры поля, создаваемого находящимся рядом постоянным магнитом. В зависимости от угла расположения руки и положения пальцев датчики регистрируют магнитное поле различного уровня напряженности и направления. Программное обеспечение, функционирующее на специализированном контроллере, использует данные от этих датчиков и вычисляет параметры движения руки человека с очень высокой точностью. Благодаря этой функции люди, поместившие "электронную кожу" на свои руки, могут печатать на виртуальной клавиатуре, перемещать виртуальные регуляторы и производить другие действия с объектами, демонстрируемыми им устройствами виртуальной реальности. Согласно информации от создателей новой технологии, исследователей из объединенного института Helmholtz-Zentrum-Dresden-Rossendorf Institute, Германия, эта технология послужит весьма существенным дополнением к существующим сейчас системам виртуальной реальности. В настоящее время система способна работать с магнитным полем, создаваемым маленьким магнитом, но на следующем этапе исследователи планируют увеличить рабочую область, увеличив параллельно с этим разрешающую способность системы. И этот более высокоточный вариант новой системы позволит использовать ее не только в области развлечений и игр, новый принцип можно будет использовать для дистанционного управления роботами, в том числе и хирургическими, для проведения инженерных и конструкторских разработок в трехмерной среде виртуальной реальности.

Международная группа исследователей разработала конструкцию мягких энергетических ячеек, которые могут стать источником энергии для кардиоводителей, медицинских имплантатов, "умных" контактных линз, устройств из серии "Интернета вещей" и прочей миниатюрной электроники. Такая мягкая батарея может выработать напряжение до 110 Вольт, гораздо меньше, чем может вырабатывать тело ее живого прототипа, электрического угря. Тем не менее, и таких параметров новой батареи вполне достаточно для удовлетворения энергетических потребностей широкого ряда электронных устройств. Электрический угорь способен вырабатывать импульсы высокого напряжения, достаточно сильные, чтобы убить лошадь. "Тело угря способно мгновенно поляризовать и деполяризовать тысячи специальных клеток для того, чтобы произвести импульсы высокого напряжения" - рассказывает Макс Штейн (Max Shtein), профессор из Мичиганского университета, - "С технической точки зрения это захватывающая система, и нам не составило большого труда повторить ее при помощи обычных материалов". Новая батарея изготавливается при помощи технологии печати, использующей в качестве чернил растворы солей с ионами натрия и хлора. Печать осуществляется на поверхности тонких листов из материала на основе гидрогеля. На одном из листов материала чередуются области, покрытые соленой и чистой водой, а другие листы представляет собой ионные мембраны, позволяющие проникать сквозь себя только положительно заряженным ионам натрия или отрицательно заряженным ионам хлора. При складывании таких листов материала положительные ионы начинают перемещаться через одну из мембран, а отрицательные - через другую, что приводит к возникновению электрического тока. Для увеличения эффективности батареи исследователи использовали технику оригами под названием сгиб Миуры (Miura fold). Такой метод используется сейчас для складывания солнечных батарей искусственных спутников в момент их транспортировки и запуска в космос, он позволяет достаточно просто и без проблем развернуть их в рабочее положение при выходе в космическое пространство. Образ сгиба Миуры был создан на листе батареи при помощи луча лазерного света, после чего батарея была свернута, капли соленой и чистой воды соединились через соответствующие ионные мембраны и батарея начала вырабатывать электрический ток. Отметим, что данная технология находится только в самой ранней стадии ее реализации. И исследователям предстоит проделать еще массу работы для увеличения эффективности, срока работы и других параметров новых батарей.

Исследователи из института Нанотехнологий CNR, Модена, Италия, и университета Страсбурга, Франция, продемонстрировали работоспособные источники света, основой которых является отдельная графеновая нанолента, шириной всего в 7 атомов. Измерив параметры света, ученые выяснили, что яркость этих источников сопоставима с яркостью светоизлучающих устройств на углеродных нанотрубках, помимо этого, цветом излучаемого света можно управлять, изменяя напряжение, подаваемое на наноленту. Отметим, что электронные и электрические свойства графена были исследованы достаточно неплохо за последние годы, однако, об оптических свойствах этого материала известно гораздо меньше. Одним из недостатков графена, как светоизлучающего материала, является отсутствие у него электронной запрещенной зона. Однако, как мы уже рассказывали не один раз, когда графен формуется в виде длинных узких полос, нанолент, шириной в несколько атомов, он получает запрещенную зону, что открывает возможности для эффективного излучения света. Некоторое время назад ученые уже экспериментально демонстрировали возможность использования графена в светоизлучающих устройствах. Однако, созданные ранее устройства могли излучать лишь достаточно слабый свет или они состояли из большого числа графеновых нанолент, работающих параллельно. На этом фоне получение яркого света, излучаемого отдельной нанолентой, открывает гораздо более широкие возможности для использования оптического потенциала этого материала. Высокая интенсивность излучаемого нанолентой света была получена за счет придания наноленте особой формы, что было сделано при помощи наконечника микроскопа. Один конец наноленты был прикреплен к плоскому металлическому основанию, выступавшему в качестве одного из электродов. Второй конец был поднят над поверхностью и прикреплен ко второму электроду. Такой подход позволил уменьшить оптическое сцепление между нанолентой и основанием, которое в ином случае подавляет светоизлучательную способность графена. Проведенные измерения показали, что нанолента излучает свет в количестве 10 миллионов фотонов в секунду. Это в 100 раз больше интенсивности излучения устройств, созданных на базе мономолекулярных материалов и это сопоставимо с интенсивностью излучения устройств на основе углеродных нанотрубок. Кроме того, ученые обнаружили, что положение главного пика спектра излучаемого света зависит от приложенного напряжения, что позволяет достаточно легко изменять цвет излучаемого нанолентой света. "В самом ближайшем будущем мы займемся исследованиями влияния ширины графеновой наноленты на спектр излучаемого ею света. В наличии такой зависимости у нас не возникает сомнений, ведь ширина запрещенной зоны напрямую зависит от ширины самой ленты" - пишут исследователи, - "Параллельно с этим мы постараемся выяснить, как влияет на светоизлучающие способности наличие дефектов в структуре графена. И в результате всего этого на свет должна появиться технология, позволяющая интегрировать "наноленточные" источники света в состав сложных схем электронных чипов".

Современные CMOS-технологии, используемые для производства чипов и полупроводниковых приборов, уже вплотную приближаются к атомарному уровню. В соответствии с этим, к такому же уровню должны "подтягиваться" и другие технологии, что позволит размещать на кристаллах гибридных чипов как традиционные полупроводниковые компоненты, так и компоненты на основе различных экзотических материалов. Одним из таких компонентов может стать новый вид молекулярной памяти, разработанный специалистами из Калифорнийского университета в Беркли и Национальной лаборатории имени Лоуренса. Ячейка такой памяти представляет собой молекулу, состоящую из нескольких атомов, а принцип работы этой ячейки основан на изменении формы молекулы в результате воздействия на нее электрическим током. В данной технологии используется метод инжекции электронов. Но вместо того, чтобы насытить электроды крохотного конденсатора, изменить направление спина или сделать что-то другое, электрический ток изменяет кристаллическую структуру прозрачного слоя дителлурида молибдена (MoTe2). Изменения кристаллической структуры носят полностью обратимый характер, а один из двух видов кристаллической структуры соответствует значению 0 или 1, записанных в эту ячейку памяти. При этом, для изменения кристаллической структуры материала требуется гораздо меньшее количество энергии, чем для переключения ячейки памяти на основе эффекта фазовых переходов. Ключевым моментом данной технологии является использование дителлурида молибдена, материала из класса переходных дихалькогенидов. Условно двухмерный слой такого материала, толщиной в несколько атомов, обладает кристаллической решеткой, способной находиться в двух стабильных состояниях, в симметричном 2H и наклонном T1. Если кристаллическая решетка дителлурида молибдена находится в состоянии 2H, то материал обладает полуметаллическими свойствами и обладает относительно низкой электрической проводимостью, в случае кристаллической решетки T1, материал демонстрирует явные металлические свойства и высокую электрическую проводимость. Исследователи из Беркли провели ряд экспериментов с различными материалами, которые могут изменять вид кристаллической решетки под воздействием электрического тока. Окончательный выбор пал на дителлурид молибдена из-за того, что этот материал обладает еще и особенными фотонными свойствами. В конечном счете исследователи планируют создать целую библиотеку тонкопленочных элементов из этого материала, которые могут использоваться в компьютерных чипах, в фотонных и оптических технологиях, в том числе и в солнечных батареях.

Вышедшие из строя спутники могут в будущем быть захвачены и сведены с орбиты вокруг Земли при помощи космического буксировочного аппарата, использующего магнитную систему буксировки.В рамках борьбы с космическим мусором большую роль играет задача сведения с орбиты неисправных спутников целиком. Однако решение этой задачи осложняется тем, что неисправный спутник трудно поддается захвату и транспортировке, поскольку представляет собой беспорядочно кувыркающийся объект, который к тому же весит несколько тонн.Для захвата и транспортировки неисправных спутников предлагались различные решения, включая роботизированные руки, сети и гарпуны.Сегодня исследователь Эмильен Фабаше (Emilien Fabacher) из Тулузского университета, Франция, добавил еще один метод к этому списку: магнитный захват.Для захвата спутника при помощи магнитных сил не требуется оснащать его специальным оборудованием: Эмильен предлагаем использовать для этого электромагниты, которыми оснащаются почти все спутники для ориентации при помощи магнитного поля Земли.Мощное магнитное поле, необходимое для захвата неисправного спутника, будет генерироваться на борту спутника-буксира при помощи сверхпроводящих проводов, охлажденных до криогенных температур.«Для нас стало сюрпризом, что использование магнитного поля для буксировки неисправных спутников оказалось технически возможным – изначально мы даже не предполагали, что этот проект окажется настолько доступным для реализации», сказал Эмильен.