Создан кремниевый чип с интегрированным лазером, состоящим из тончайших нанопроводников

Ученые-физики из Технологического университета Мюнхена (Technical University of Munich, TUM) разработали структуру нового типа нанолазера, размер которого в тысячу раз меньше диаметра человеческого волоса. Этот лазер состоит из нанопроводников, упорядоченных особым способом на поверхности кремниевого основания и при его помощи становится возможным создание электронно-фотонных компонентов, которые в будущем будут обеспечивать высокоскоростную и эффективную обработку информации при помощи света.

Начиная с самого начала эры компьютеров количество транзисторов и вычислительная мощность микропроцессоров удваивалась в среднем каждые 18 месяцев. Около 50 лет назад соучредитель компании Intel Гордон Мур представил такие темпы развития вычислительной техники в виде закона, получившего его имя. И этот закон неукоснительно соблюдался вплоть до последних нескольких лет.

Но миниатюризация электронных компонентов постепенно приблизилась к пределу, определяемому некоторыми законами физики. "Современные транзисторы и так уже имеют размеры в несколько нанометров. Дальнейшее сокращение этих размеров сопряжено с множеством проблем и поэтому безумно дорого" - рассказывает профессор Джонатан Финли (Jonathan Finley), директор Института имени Уолтера Шоттки, - "Дальнейшее увеличение вычислительной мощности микропроцессорной техники возможно только лишь в случае замены электронов фотонами, частицами света".

У технологий передачи информации при помощи света имеется огромный потенциал для "ломки барьера", препятствующего дальнейшему увеличению быстродействия электроники. На белом свете уже существуют первые опытные образцы кремниевых фотонных чипов, однако такие чипы имеют один существенный недостаток, для их работы требуется подача света от внешнего источника, лазера. Однако, для того, чтобы использование таких чипов стало практичным, требуется наличие в их составе собственного эффективного и миниатюрного источника света, интегрированного на поверхность кристалла.

В настоящее время многие исследовательские группы ведут интенсивные исследования, связанные с разработкой нанолазеров различных типов и ученым из TUM удалось преуспеть в этом деле. Разработанный ими нанолазер полностью подходит для его интеграции в структуру кремниевых чипов и ученые сейчас ожидают скорейшего рассмотрения их патентной заявки.

Процесс выращивания структур из полупроводников III-V группы на кремнии требует проведения большого количества сложных экспериментов. "У этих материалов имеются совершенно различные параметры кристаллической решетки, в том числе и коэффициент теплового расширения. И сопряжение этих материалов является весьма сложной задачей" - рассказывает Джонатан Финли, - "К примеру, попытки выращивания элементов из арсенида галлия прямо на кремнии приводят к появлению большого количества дефектов".

Исследователи из TUM решили проблему совместимости материалов весьма изобретательным способом, установив отдельные нанопроводники в специально подготовленные для них места на кремнии, площадью в несколько квадратных нанометров. При этом, в нанопроводниках из арсенида галлия (GaAs) абсолютно не возникало никаких дефектов. Но нанопроводник, вертикально установленный на кремниевой подложке, еще не является полноценным лазером. Для этого требуется, чтобы фотоны света могли неоднократно отразиться от концов нанопроводника, что позволяет усиливать когерентный свет.

"Граница между арсенидом галлия и кремнием не обладает достаточной способностью к отражению света. Поэтому нам пришлось организовать дополнительное зеркало, слой из диоксида кремния, толщиной 200 нанометров, который был предварительно напылен на поверхность кремния" - пишут исследователи, - "На поверхности этого зеркального слоя были созданы крошечные отверстия, в которых при помощи процесса эпитаксии атом за атомом были выращены вертикальные нанопроводники".

В настоящее время созданный новый нанолазер из арсенида галлия способен вырабатывать инфракрасный свет определенной длины волны при помощи внешнего импульсного возбуждения. Но в будущем исследователи будут пытаться изменить длину волны лазера и другие параметры, которые позволят увеличить стабильность работы этого микроскопического устройства. Кроме этого, будет проведена работа, направленная на использование в этом лазере постоянного электрического возбуждения, единственного метода возбуждения лазера, подходящего для использования в пределах кристалла чипа.

Источник

Физики, вероятно, получили подтверждение существования экзотической частицы, состоящей из четырех нейтронов

Тетранейтрон, частица, состоящая из четырех нейтронов, очень долгое время существовала только в теории. Некоторые из ученых-физиков высказывали сомнения по поводу возможности ее существования в действительности, ведь само такое существование противоречит некоторым из нынешних экспериментально проверенных теорий. Однако, первое "появление" тетранейтрона произошло в 2001 году в результате серии экспериментов, давших сомнительные и спорные результаты. А недавно в ходе одного из экспериментов, проведенных японскими учеными, были получены достаточно твердые доказательства существования тетранейтрона, и если результаты этих экспериментов подтвердятся, то мир физики элементарных частиц ожидает очередное потрясение.

В 2011 году ученые запустили ядра атомов бериллия-14 в мишень из углерода для того, чтобы наблюдать за "хаосом" рождающихся в результате столкновения частиц, что само по себе является достаточно распространенной методикой проведения исследований в физике элементарных частиц. В отличие от атомов более простых элементов, ядро атома бериллия-14 имеет более сложное, "многослойное" строение. Оно состоит из "внутреннего ядра", "обернутого" оболочкой "внешнего ядра", состоящего из четырех нейтронов. При разрушении во время столкновения ядра бериллия-14 четыре нейтрона внешнего ядра и сформировали частицу, тетранейтрон, наличие которой было зарегистрировано в виде одного сильного сигнала, а не четырех сигналов от отдельных нейтронов.

Полученные в прошлом данные указывали на присутствие "невозможной частицы" - тетранейтрона (4n), но "революции в физике" тогда не произошло из-за того, что в ходе других подобных экспериментов данные изначального эксперимента подтверждены не были. Этот факт и мнение о невозможности существования тетранейтрона, тем не менее, не остановили ученых от дальнейшей работы в данном направлении.

И недавно, группе ученых-физиков из японского Института физико-химических исследований RIKEN, возможно удалось получить убедительные доказательства существования тетранейтрона. В своем эксперименте японские ученые нацелили луч ядер атомов гелия на гелий, находящийся в жидком виде. Однако, гелий в луче и в жидкости был разным, луч состоял из ядер тяжелого изотопа, в которых насчитывается два протона и шесть нейтронов. А в жидкости находились два из наиболее распространенных легких изотопов гелия. Столь необычная комбинация была выбрана в силу многих причин. В других случаях ударные волны, возникающие при столкновении ядер, могут разрушить "хрупкий" тетранейтрон, а в данном случае у тетранейтрона имеется возможность просуществовать краткое время, дающее ученым возможность его обнаружения и изучения.

В результате столкновений ядер различных изотопов гелия в некоторых случаях образовывалось ядро бериллия, содержащее четыре нейтрона и четыре протона. А лишними в данном случае остаются как раз четыре нейтрона, которые, опять же, в редких случаях, образую тетранейтрон. Исследователи оценили, что каждый тетранейтрон существовал в течение одной миллиардной от одной триллионной доли секунды, прежде чем распасться на отдельные частицы.

Все, что сделали японские ученые, предоставляет лишь косвенные подтверждения факта существования тетранейтрона, полученные из данных о недостающей массе материи, являющейся "продуктом" столкновений ядер гелия. Это еще не является полным подтверждением существованию тетранейтрона, но уровень достоверности, равный 4.9 сигма, что очень близко к "стандартному значению" в 5 сигма, делает это все весьма и весьма убедительным косвенным подтверждением.

Для поднятия уровня достоверности до 5 сигма и получения достоверного подтверждения факта существования тетранейтрона требуется воспроизведение полученных японцами результатов учеными из других лабораторий и стран. Кроме этого, потребуется проведение экспериментов, в которых тетранейтрон будет получен при помощи других методов. Но если в результате всех будущих усилий существование тетранейтрона будет окончательно подтверждено, некоторые современные теории развалятся, словно карточный домик, и некоторые области физики элементарных частиц вернутся к своей исходной точке, с которой ученым надо будет начинать всю работу снова.

Источник

Япония произвела успешный запуск новой рентгеновской обсерватории ASTRO-H

17 февраля 2016 года, в 17:45 по местному времени, Япония произвела успешный запуск ракеты-носителя H-IIA, которая осуществила вывод в космическое пространство нового рентгеновского телескопа ASTRO-H, который стал самым мощным и самым совершенным рентгеновским астрономическим инструментом на сегодняшний день. Запуск ракеты был произведен со стартовой площадки космодрома Танегашима и полет, в ходе которого были произведены процедуры отделения двух отработанных ступеней, прошел практически безупречно. В результате этого телескоп ASTRO-H оказался на расчетной орбите спустя 14 минут и 15 секунд с момента старта.

В состав обсерватории ASTRO-H входят четыре рентгеновских телескопа, покрывающие диапазоны мягкого рентгена, жесткого рентгена и гамма-излучения. Этот инструмент позволит ученым-астрономам получать высокодетализированные снимки и собирать другую научную информацию, касающуюся облаков газа, пойманных гравитационными ловушками скоплений галактик, взрывов сверхновых, сверхгорячей материи, окружающей черные дыры, и других высокоэнергетических астрономических объектов и явлений. Ученые ожидают, что все это позволит им сделать массу новых открытий, которые было невозможно сделать при помощи существующих инструментов предыдущего поколения.

Запуск телескопа ASTRO-H является результатом исполнения международной программы, в которой принимают участие Институт Космоса и астронавтики (Institute of Space and Astronautical Science) японского Космического агентства (Japan Aerospace Exploration Agency (JAXA) и НАСА. Всего в команде миссии ASTRO-H насчитывается 240 ученых, представляющие 60 научных и исследовательских заведений из Японии, Северной Америки и Европы.

Согласно имеющейся у японцев традиции, после запуска рентгеновская обсерватория получила новое собственное имя "Hitomi", которое служит заменой официальному названию миссии ASTRO-H. В переводе с японского "Hitomi" означает "Глаз", что символизирует возможность бросить новый взгляд на глубины Вселенной.

В течение следующих нескольких месяцев технические специалисты миссии будут заниматься тестированием, калибровкой и испытаниями всех инструментов и узлов обсерватории ASTRO-H. А в эксплуатацию этот астрономический инструмент будет введен ближе к концу этого года.

Источник

Электронный кубит, интегрированный в твердотельный ключ, превращает это устройство в квантовый переключатель

Квантовые биты, кубиты, являются основополагающими компонентами квантовых коммуникационных систем и квантовых компьютеров. В большинстве случаев в качестве кубита используют ион, атом определенного химического элемента, искусственно лишенный одного или большего количества электронов, который связан со свободным электроном. Этот свободный электрон и является носителем квантовой информации, закодированной в виде его спина, направления вращения. Подобно обычным двоичным битам, кубит может находиться в состоянии логической 1 или 0, но при определенных условиях он может находиться в состоянии суперпозиции, имея значения 1 и 0 одновременно.

Одной из основных проблем, с которой сталкиваются разработчики квантово-оптических систем, является обеспечение сильного взаимодействия фотонов света с кубитом, интегрированным в кристалл твердотельного полупроводникового устройства. А именно такие устройства могут использоваться в качестве электрооптических модуляторов, превращающих электрические сигналы в оптические сигналы, закодированные в квантовой характеристике фотонов света - в их поляризации.

Исследователи из университета Мэриленда разработали новый тип электронного кубита, который, "комбинирует технологии заманивания фотонов света в ловушку фотонного кристалла и заманивания электронов в ловушку на базе квантовой точки". Такая комбинация родилась из теории, определяющей, что наноразмерные фотонные впадины и волноводы могут использоваться для объединения фотонов света и электронов в районе электронного кубита в твердотельном устройстве. В результате комбинации двух различных технологий изменение фазы электрического сигнала приводит к изменению угла поляризации фотона. И происходит все это благодаря соприкосновению фотона с пойманным в ловушку электроном, имеющим определенное направление вращения.

Устройство, созданное исследователями из Мэриленда, представляет собой нечто вроде фотонного кристалла с оптической впадиной, в ловушку которой поймана квантовая точка, способная поглощать свет с определенными длинами волн. Изготовление устройства производится путем последовательного нанесения слоев разных полупроводниковых материалов. А конечным этапом, превращающим все это в фотонный кристалл с ловушкой, является создание в многослойной структуре сетки из крошечных отверстий.

В определенных местах сетки исследователи преднамеренно оставили материал нетронутым, что позволило получить своего рода искусственный дефект фотонного кристалла, который и выступает в роли оптической впадины. Геометрия этой впадины позволяет ей выступать в роли ловушки и источника фотонов света со строго определенными длинами волн, находящимися в данном случае в инфракрасном диапазоне.

В центр полученного дефекта, оптической впадины, была помещена квантовая точка, которая является чем-то вроде огромного искусственного атома. В данном случае исследователи использовали квантовые точки с единственным электроном, вращающимся вокруг нее.

Как только фотоны поглощенного впадиной света начинают взаимодействовать, то вращение электрона оказывает влияние на угол поляризации фотона. А вращение электрона само по себе регулируется достаточно просто при помощи приложенного извне магнитного поля. Кроме этого, в данном устройстве возможно проведение и обратного преобразования, можно установить определенное направление вращения электрона путем воздействия на квантовую точку короткими импульсами света с определенной поляризацией.

"Наше устройство имеет ряд преимуществ по отношению к другим подобным разработкам" - рассказывает Шуо Сун (Shuo Sun), один из исследователей, - "Электронный кубит интегрирован в структуру полупроводникового чипа, и все это можно изготовить при помощи уже существующих технологий. Кроме этого, взаимодействие между материей и светом происходит очень быстро, в течение триллионной доли секунды. И это в тысячу раз быстрее, чем быстродействие других подобных устройств".

Созданное исследователями устройство по принципу работы очень напоминает электронный транзистор. И в самом ближайшем времени исследователи собираются изготовить из таких квантовых "транзисторов" схемы, способные выполнять достаточно сложные операции обработки квантовой информации.

Источник

Столкновения черных дыр - катаклизмы, порождающие гравитационные волны

Достаточно давно ученые-астрономы предполагали, что катаклизм, возникающий при столкновении двух черных дыр, сопровождается выбросом колоссальной энергии, которая порождает гравитационные волны. И лишь недавно эта теория получила первое практическое подтверждение. Согласно подсчетам, энергия столкновения равна энергии, выделяемой в пространство 10^23 звездами, эквивалентными по всем параметрам Солнцу. Только представьте - энергия 100,000,000,000,000,000,000,000 звезд! И самым главным в этом является то, что вся эта масса энергии выделяется в течение очень короткого промежутка времени, во время нескольких последних витков друг вокруг друга сталкивающихся черных дыр, которые в результате сливаются и образуют одну вращающуюся черную дыру больших размеров.

Таким образом, системы из двух черных дыр являются настоящими космическими бомбами замедленного действия. Таймер этой бомбы зависит от многих параметров, от величины и массы черных дыр, от скорости и размеров начальных орбит их движения. И когда этот таймер срабатывает, возникает мощнейший гравитационный взрыв, эхо которого разносится по Вселенной, сообщая об этом событии всем, кто способен "услышать" гравитационные волны.

Бинарные (двойные) системы черных дыр могут образовываться двумя различными путями. Первым путем является рождение двух сверхмассивных звезд в непосредственной близости друг от друга. Такие двойные звезды являются достаточно распространенными, на их долю приходится от одной третьей до половины от общего количества звезд во Вселенной. Известно, что столь массивные звезды являются и крайне короткоживущими, они быстро "прожигают" свою бурную жизнь, взрываются и умирают в "молодом" для звезд возрасте миллиона лет, оставляя за собой пару черных дыр.

Вторым путем образования пар черных дыр является встреча двух черных дыр, родившихся по отдельности в различных уголках космоса. Это происходит обычно вследствие процесса потери черной дырой своей изначальной потенциальной энергии, которая расходуется на ускорение близлежащих звезд за счет эффекта "гравитационной" рогатки, на притягивание материи из окружающего пространства и другие подобные процессы. В результате потери энергии черная дыра начинает смещаться к центру галактики или скопления галактик, где и происходит встреча с черной дырой, которая уже находится там.



Две связанные черные дыры являются более активным космическим объектом, нежели одна черная дыра. В большинстве случаев такие черные дыры имеют массу от 20 до 100 раз превышающие массу солнца. Тем не менее, они очень эффективно очищают от звезд окружающее пространство или поглощая их материю или "расшвыривая" их дальше в космос своими гравитационными возмущениями. За счет высокой активности двойные системы быстро эволюционируют, их черные дыры набирают массу, что приводит к изменениям скоростей и траекторий их движения.

Каждый шаг эволюции двойных систем черных дыр приводит к потере ими кинетической и потенциальной энергии, что заставляет черные дыры все больше и больше приближаться друг к другу. И в результате этот процесс становится все быстрей и быстрей, что ведет к неотвратимому столкновению. Процесс сближения может значительно ускориться, когда одна из черных дыр-компаньонов получает дополнительный гравитационный "пинок" от звезды или другого скопления материи, перемещающегося в пространстве неподалеку.

Вращение двух черных дыр, вне зависимости от причин образования пары, уже само по себе создает небольшие гравитационные волны. А миллиарды таких пар создают во Вселенной постоянный фон гравитационных волн, сигнал которых носит совершенно случайный характер. Однако, окончательное слияние двух черных дыр порождает такие гравитационные волны, которые на общем фоне сопоставимы с волнами цунами по отношению к обычным морским волнам.

В настоящее время только двойные системы черных дыр и порождаемые ими гравитационные волны представляют собой интерес для ученых. Они походят на своего рода космические "капсулы времени", гравитационные взрывы которых несут в себе массу полезной информации о прошлом, которая может быть расшифрована и которая может пролить свет на некоторые фундаментальные загадки Вселенной. И лишь недавно человечество получило в свое распоряжение инструмент, гравитационную обсерваторию LIGO, который позволяет регистрировать гравитационные волны и "вынимать" из них какую-то часть переносимой ими информации.

Источник