Созданы "атомарные" датчики, которые станут новым "окном" в наноразмерный мир


Момент, когда исследователи компании IBM в 1981 году разработали и испытали первый сканирующий туннельный микроскоп (Scanning Tunneling Microscope, STM), позволяющий производить съемку поверхности с уровнем детализации до отдельных атомов, стал революционным моментом для многих областей науки и техники. Многие эксперты полагают, что именно это изобретение послужило толчком к началу развития абсолютно новой области - области нанотехнологий. А недавно исследователи из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре закончили разработку микроскопа следующего поколения, который за счет использования магнетизма на уровне отдельных атомов способен получать высококачественные изображения наноразмерных объектов в широком диапазоне температуры окружающей среды. "Сердцем" этого нового микроскопа является датчик на основе единственного атома, а если быть точнее, дефекта, связанного с отсутствием в кристаллической решетке одного атома.

В качестве чувствительного элемента нового датчика является так называемая азотная вакансия (nitrogen-vacancy, NV), дефект в монокристалле алмаза. Этот дефект создается путем искусственной замены в кристаллической решетке одного атома углерода атомом азота, и его наличие приводит к нарушению структуры кристаллической решетки. Наличие атома азота приводит к тому, что рядом с ним возникает пустующее место, заполненное в нормальном кристалле атомом углерода.

Наличие дефекта азотной вакансии позволяет использовать его для детектирования некоторых физических явлений, в частности, магнетизма. Такой сверхчувствительный магнитный датчик на основе NV-дефекта, позволяет измерить величину магнитного поля путем измерения величины фотолюминесценции, излучения света в районе дефекта. Для того, чтобы превратить такой датчик в микроскоп, ученые создали структуру, напоминающую зубную щетку. Каждая волосинка этой "зубной щетки" представляет собой алмазную иголку с одним NV-дефектом на ее конце.

"Этот микроскоп является первым инструментом его вида" - рассказывает Аня Джейич (Ania Jayich), профессор из Калифорнийского университета, - "Все это работает, начиная от комнатной температуры и заканчивая сверхнизкими температурами, в условиях которых возникает множество интересных физических явлений и явлений связанных с квантовой механикой. Когда энергия теплового движения достаточно низка, на первый план выходят явления, к примеру, электронные взаимодействия, которые ранее были "закопаны" в тепловых шумах. И это позволяет нам получить беспрецедентный уровень пространственной разрешающей способности".

Для проверки работоспособности нового микроскопа ученые провели исследования поверхности полупроводникового материала, содержащего упорядоченные магнитные структуры, которые являются центрами концентраций изменений направления и силы магнитных потоков в материале. И новый датчик позволил увидеть отдельные "вихри" этих изменений, т.е. сделал то, что раньше не удавалось сделать при помощи любых других датчиков.

В скором времени исследователи из Калифорнийского университета планируют проникнуть при помощи нового микроскопа в мир магнитных скирмионов, мир вращающихся магнитных образований, возникающих в тонких пленках некоторых материалов. Эти скирмионы рассматриваются в качестве перспективных носителей информации для устройств магнитного хранения данных нового поколения. И высокая разрешающая способность нового микроскопа позволит ученым изучить все процессы и явления, связанные с взаимодействиями скирмионов в материале.

"На наноразмерном уровне между отдельными атомами возникает множество различных видов взаимодействий" - рассказывает Аня Джейич, - "Мы должны изучить и понять, как работают все эти взаимодействия. Обладая подобными знаниями, мы сможем спрогнозировать как материал поведет себя в тех или иных условиях, и только после этого можно будет начинать думать о практическом использовании определенных материалов и возникающих в них явлений".

Источник

В Японии создана самая маленькая на сегодняшний день камера для мобильных устройств


Специалисты японской компании Nidec Copal Corp, специализирующейся в области производства оптических компонентов и компонентов цифровых камер, разработали и изготовили опытные образцы того, что можно назвать самой маленькой и легкой камерой для мобильных устройств в мире на сегодняшний день. Размеры модуля этой камеры составляют 8.5 x 8.5 x 4.2 миллиметра, а его вес равен 0.57 грамма. По занимаемому объему и весу модуль компании Nidec Copal в два раза превосходит все, что было создано в этой области на сегодняшний день.

Внутри данного модуля находится 16-мегапиксельный CMOS-датчик с оптическим размером в 1/3.1 дюйма при размере пикселя в 1 микрометр. Фокусное расстояние и максимальная апертура составляют 3.6 и 1.9 миллиметра соответственно. Датчик имеет функцию автофокусировки и он обеспечивает съемку с расстояния от 10 сантиметров до бесконечности.

Следует отметить, что при ее характеристиках эта новая камера не сможет претендовать на место в мобильных устройствах не то, что высшей, но и средней ценовой категории. Быстрее всего такие камеры появятся в составе смартфонов и планшетных компьютерах бюджетной категории. Кроме этого, за счет малых габаритов и веса такие камеры могут стать основой систем компьютерного видения, которыми будут снабжаться беспилотные летательные аппараты, малогабаритные роботы и любая другая техника, которой будет требоваться видеть окружающее ее пространство.

Массовое производство новых модулей миниатюрных камер компания Nidec Copal Corp планирует начать в конце 2016 года, а уже в следующем 2017 году на рынке могут появиться первые электронные устройства с этими камерами.

Источник

Двухслойный графен - основа высокоскоростных туннельных транзисторов нового типа


Исследователи из Московского физико-технического института (МФТИ) разработали структуру нового туннельного транзистора, основу которой составляют два слоя графена, формы углерода, кристаллическая решетка которого имеет одноатомную толщину. Произведенные учеными расчеты математических моделей показывают, что новые транзисторы имеют высокую эффективность с точки зрения расходуемой энергии и могут обеспечить работу на тактовых частотах, превышающих тактовые частоты используемых в современных микропроцессорах транзисторов на один-два порядка величины.

"В данном случае речь идет даже не об экономии электроэнергии" - рассказывает Дмитрий Свинцов, ученый кафедры Общей физики МФТИ, - "Потребляя меньше энергии, электронные компоненты нагреваются меньше и они в состоянии работать на более высоких тактовых частотах. Не в один гигагерц, а на десяти или даже ста гигагерцах".

Туннельные транзисторы, транзисторы, работающие за счет эффекта квантового туннелирования электронов, считаются одними из главных кандидатов на замену обычным транзисторам, которые работают за счет электронных барьеров, блокирующих прохождение электронов через канал транзистора. Основная проблема с обычными транзисторами заключается в том, что при попытках дальнейшего уменьшения их габаритных размеров эти барьеры получаются настолько узкими, что электроны без помех проходят сквозь них за счет другого явления - квантового туннелирования.

Туннельные транзисторы всегда работают только за счет явления туннелирования, а управление работой такого транзистора заключается в изменении вероятности того, что электрон успешно "перескочит" с одного электрода устройства на другой. Создавая новые транзисторы, ученые из МФТИ разработали специализированную математическую модель туннельного перехода, состоящего из двух слоев графена. Этот материал был выбран из-за того, что характеристики его валентной зоны и зоны проводимости имеют уникальную форму, коренным образом отличающуюся от формы этих характеристик всех полупроводниковых материалов.

Моделирование показало, что электроны, сгруппировавшиеся "на краях" характеристик графена, под воздействием небольшого электрического потенциала, приложенного к управляющему электроду транзистора, совершают "массовый" туннельный переход, вызывая резкое увеличение тока через транзистор. Именно это резкое увеличение при низком управляющем напряжении определяет высокое быстродействие и эффективность новых транзисторов.

"Следующим нашим шагом будет изготовление опытного образца полевого (FET) туннельного транзистора, измерение его основных параметров и сравнение экспериментальных данных с данными, полученными в результате расчетов математической модели" - рассказывает Дмитрий Свинцов в электронном письме к издательству IEEE Spectrum, - "С теоретической стороны данных исследований мы продолжим поиски других материалов, характеристики которых в области переноса электрических зарядов позволят нам реализовать еще более быстрое управление туннельным током через транзистор".

Ученые из МФТИ уже владеют технологией выращивания двойного слоя графена на основании из нитрида бора и технологией создания 10-нм промежутков между металлическими электродами транзистора. Тем не менее, для изготовления первых опытных образцов новых транзисторов им придется решить ряд проблем технического плана. И еще большее количество проблем им надо будет решить прежде, чем такие транзисторы пойдут в массовое производство.

Источник

Исследователи добились рекордной эффективности использования радиочастотного спектра 5G-сетями следующего поколения


Группа исследователей, работающая в области технологий беспроводных 5G-сетей, установила своего рода мировой рекорд по эффективности использования выделенного спектра радиочастот. Это было сделано при помощи сложной MIMO-системы (multiple-input, multiple-output), состоящей из оборудования сотовых базовых станций, каждая из которой имеет десятки специализированных антенн. Данное достижение является доказательством тому, что 5G-технологии, даже в их нынешнем виде, способны обеспечивать сверхбыструю передачу данных одновременно множеству смартфонов, планшетных компьютеров и прочих мобильных электронных устройств.

Исследовательская группа состоит из восьми ученых из университета Бристоля, Великобритания, и Лундского университета, Швеция. В своем последнем эксперименте он продемонстрировали скорость передачи данных в 145.6 (бита в секунду) на Гц несущей частоты при обеспечении работы одновременно 22 независимых абонентов. 5G-каналы использовали стандартную модуляцию 256-QAM, ширина полосы канала составляла 20 МГц в диапазоне 3.51 ГГц. А обеспечивалось все это MIMO-системой со 128 антеннами. Следует заметить, что полученные показатели эффективности практически в четыре раза превышают аналогичные показатели 4G-сетей нынешнего поколения.

Нынешний рекорд побил предыдущий рекорд, установленный этой же самой группой исследователей в марте этого года и который составлял 79.4 (бита в секунду) на Гц несущей частоты при обеспечении работы одновременно 12 независимых абонентов. А еще более ранний рекорд в этой области был установлен в апреле этого года специалистами компании Facebook, использовавшими MIMO-систему ARIES с 96 антеннами, которая продемонстрировала эффективность в 71 (бит в секунду) на Гц при обеспечении работы 24 абонентов.

Использовавшееся исследователями оборудование MIMO-системы ориентировано на его использование в городских условиях. Но ученые уже приступили к разработке еще более крупной системы, которая сможет работать и в сельской местности, обеспечивая покрытием сотовой связи и Интернета большое количество пользователей одновременно.

Следует отметить, что рекордные показатели эффективности были получены в первую очередь благодаря тому, что эксперименты проводились в идеальных условиях, в изолированном от окружающего мира помещении, в котором отсутствовали посторонние источники радиосигналов. Помимо этого устройства, выступавшие в роли абонентов сети, были абсолютно неподвижны и работали с постоянным уровнем мощности передаваемых сигналов. Но в реальном мире дело обстоит совсем по иному, люди с их телефонами почти постоянно находятся в движении, а окружающая среда полна посторонних радиосигналов и помех.

Более того, согласно прогнозам, 5G-сети следующих поколений для того, чтобы иметь возможность обеспечивать потребности роста объемов мобильного трафика, должны иметь 1000-кратное увеличение эффективности использования спектра по сравнению с 4G-сетями. И такого увеличения эффективности вряд ли можно добиться путем увеличения сложности и размеров MIMO-систем, для этого потребуется ряд новых ключевых технологий, включая использование радиоволн миллиметрового диапазона и применения новых принципов формированная направленных лучей.

И в заключении отметим, что ученые использовали гибкую и масштабируемую экспериментальную систему, разработанную и изготовленную компанией National Instruments на базе программного обеспечения LabVIEW и аппаратного обеспечения серии PXI. Данная система остается в распоряжении исследователей Бристольского университета и будет использоваться для дальнейших исследований в области беспроводных 5G-технологий.

Источник

Ученые обнаружили новую форму света, параметры которого не вписываются в существующие законы физики и квантовой механики


Свет представляет собой фундаментальное явление, используемое широко практически во всех областях жизни и деятельности человека. Из-за этого свету было уделено и уделяется сейчас столь большое внимание со стороны ученых. Это, в свою очередь, позволяет с уверенностью сказать, что свет уже достаточно хорошо изучен, определены точные значения связанных с ними физических констант, ограничений и особенности его поведения. Однако, ученые-физики из Тринити-Колледжа в Дублине (Trinity College Dublin) обнаружили новую экзотическую форму "закрученного" света, угловой момент вращения которого не равен целому числу. Другими словами, этот свет не подчиняется целому ряду известных законов.

Вращение луча света вокруг его оси характеризуется параметром под названием угловой момент, который связывает количество инерции и скорость движения по кругу. Этот угловой момент, по крайней мере, так было раньше, должен быть кратен значению постоянной Планка (целое значение, описывающее отношение энергии одного кванта (фотона) электромагнитного излучения к его частоте). Это, в свою очередь означает, что значение углового момента луча закрученного света всегда должно быть целым числом.

"Луч света характеризуется многими известными параметрами, такими, как цвет (длина волны), и менее известными параметрами, такими, как угловой момент" - рассказывает профессор Джон Донегэн (John Donegan), - "Угловой момент описывает процесс вращения луча света при его движении по прямой линии".

В одном из экспериментов ученые обнаружили новую форму света, фотоны которого имели угловой момент, кратный числу 0.5. Это не стало слишком большой неожиданностью, ведь в 1980-х годах ученые провели теоретические исследования в области квантовой механики, результаты которых указали на возможность существования света с подобными значениями углового момента. И теперь эта теория получила первое практическое подтверждение.


В своем эксперименте ученые использовали явление, открытое почти две сотни лет назад. Это явление заключается в том, что луч света, прошедший через определенные кристаллы, принимает форму полого цилиндра. Этот метод, с небольшими дополнениями, ученые использовали для получения лучей закрученного света. Свет сначала пропускался через поляризационный фильтр, затем через кристалл и после всего этого он попадал на приемник интерферометра, при помощи которого производились точные измерения смещения длины волны.

Один из расколотых в недрах интерферометра лучей закручивался вокруг своей оси и повторно объединялся со вторым лучом. И как раз этот луч синтезированного света являлся предметом интереса со стороны ученых. Ученые производили записи изменений параметров этого потока света, вызванных некоторыми эффектами из области квантовой физики. Ученые ожидали увидеть в полученных результатах череду значений, кратных постоянной Планка, но некоторые из фотонов имели угловой момент с дробной величиной.

"Сейчас мы занимаемся исследованиями, направленными на выяснение того, как можно заставить обнаруженное нами явление работать на благо людей" - рассказывает Пол Истэм (Paul Eastham), один из исследователей, - "Свет, обладающий столь необычными параметрами, может использоваться в оптическом варианте реализации так называемых топологических квантовых вычислений, пока еще теоретического метода, в котором используются двухмерные квазичастицы. Кроме этого, мы сможем использовать дробное значение углового момента для увеличения полосы пропускания существующих оптоволоконных коммуникационных линий".

Источник