Электроника и полупроводники

Новые материалы позволят создать электронные устройства, которые по команде распадутся или растворятся не оставляя следа

Когда дело касается бытовой электроники любого класса, обычной или портативной, пользователи ценят выше всего надежность и долговечность своих электронных устройств. Но существует и несколько другой сценарий, специализированное электронное устройство, выполнив свою функцию распадается или растворяется в окружающей среде, не оставляя никаких следов своего пребывания. И такой сценарий может быть с успехом использован во множестве областей, начиная от медицины и заканчивая военной областью. В этом направлении работает группа ученых из университета Айовы, которые разрабатывают новые материалы, способные исчезнуть без следа по внешней команде определенного рода.

Базой для проведения нынешних исследований стали результаты предыдущих исследований, проведенных этой же группой ученых. В прошлом ученым удалось разработать и испытать материалы, при помощи которых можно создать "растворимые" электронные приборы, такие, как транзисторы, диоды, резисторы и конденсаторы. А главной целью настоящих исследований является создание технологий более высокого уровня, позволяющих искусственно управлять временем существования и функционирования "исчезающих" электронных устройств.

Группа исследователей экспериментирует со сложными материалами, которые являются смесью материалов, обладающих свойством биодеградации (разлагаемых различными видами микроорганизмов) и материалов с ярко выраженными свойствами временной деградации (самостоятельно разлагающихся с течением времени). Комбинируя эти материалы с различными добавками, в том числе и биологического происхождения, ученые стараются получить материал, способный служить в качестве основания для сборки будущего "исчезающего" электронного устройства. При этом, исчезновение устройства может происходить через строго определенный промежуток времени или при помощи некоего внешнего воздействия, выполняющего роль спускового механизма процесса деградации материала.

Главной проблемой, которую должны преодолеть ученые, заключается в том, что разрабатываемый материал должен иметь ряд специфических физических, химических и электрических свойств для того, чтобы его можно было использовать в электронных устройствах. Сейчас исследователи уже нашли некоторые виды подходящих полимерных материалов и работают над разработкой универсальной платформы для "исчезающих" электронных устройств. В качестве примеров для использования таких технологий исследователи называют кредитные карты, которые просто исчезают, попав в чужие руки, хранилища конфиденциальной информации, которые самоликвидируются или самоочищаются, если при доступе к ним не были выполнены определенные операции, датчики, установленные на пищевых продуктах и информирующие о несоблюдении режима их хранения и многое, многое другое.

Демонстрируя свои успехи, ученые показали примитивное электронное устройство с транзисторным ключом и светодиодом синего света, который светится когда на схему подано напряжение питания. Но когда на основание попадает даже очень малое количество воды, это основание и элементы электронной схемы распадаются и светодиод, который является обычным светодиодом, перестает светиться.

Новости науки и техники

Разработан метод измерения воздействия гравитационных сил на частицы антивещества

Поскольку антиматерия является весьма редкой и крайне короткоживущей, ученым до сих пор известно не очень многое о ее физических свойствах. И одним из главных вопросов, касающихся свойств антиматерии, является вопрос о том, как влияют гравитационные силы на поведение частиц антивещества. В этом направлении существует масса теорий, некоторые, самые экзотические из которых утверждают о том, что антиматерия обладает свойством антигравитации. И для того, чтобы окончательно расставить все точки над i в этом вопросе, требуется проведение экспериментов, которые позволят произвести непосредственные измерения взаимодействия сил гравитации с частицами антивещества. Группа ученых из Калифорнийского университета в Беркли предлагает провести экспериментальные исследования с помощью разработанной ими новой методики, в которой специальным устройством, интерферометром, может быть измерено воздействие гравитации на переохлажденные атомы антиводорода.

Ученые остановили свой выбор на атомах антиводорода в связи с их относительной доступностью, в лабораториях CERN ученые получают такие атомы в количестве одного атома за 15 минут. Эти атомы, загнанные в магнитную ловушку, будут охлаждены до температуры в 1 градус выше абсолютного нуля и с помощью света лазера направлены в область датчика интерферометра. Из-за чрезвычайно низкой температуры поведение атомов антивещества должно претерпеть кардинальные изменения. Их корпускулярные свойства, которые определяют атом как частицу, должны сдвинуться на второй план, а на первый план должны выдвинуться волновые свойства, которые описывают частицу как квант электромагнитной волны. Волновые свойства частиц антиматерии могут быть измерены гораздо более простыми дистанционными методами, нежели корпускулярные свойства и это позволит ученым измерить эффекты воздействия сил гравитации на атомы антиводорода.

Поскольку количество атомов антиводорода, задействованных в эксперименте, будет строго лимитировано, ученые при помощи уникальной магнитной ловушки будут пытаться произвести множество измерений характеристик одного и того же атома, который, передвигаясь в кольце ловушки, будет проходить замкнутый цикл охлаждения и последующих измерений, избегая контакта с частицами обычной материи. Предполагается, что с использованием имеющегося на сегодняшний день оборудования измерения характеристик антиматерии могут быть проведены с 1-процентной погрешностью, а усреднение множества результатов идентичных измерений позволит поднять точность результата минимум в 10 тысяч раз.

В завершение стоит отметить, что в случае удачных измерений воздействия сил гравитации на частицы антиматерии, полученные результаты позволят пролить свет на множество загадок таинственного антивещества. Более того, благодаря этому ученые смогут узнать некоторые нюансы, которые прольют свет на природу сил гравитации и это сможет дать толчок к исследованиям и экспериментам, результатом которых станет разработка технологий антигравитации.

Нанотехнологии

Ученые обнаружили, что поведение наночастиц в некоторых условиях нарушает второй закон термодинамики

Вышеприведенное утверждение звучит подобно первоапрельской шутке и, естественно, вызывает изрядную долю скептицизма. Тем не менее, группа ученых из трех различных университетов, проведя ряд предварительных теоретических исследований, продемонстрировала на практике, что поведение наночастиц, помещенных в определенные условия, нарушает один из фундаментальных законов физики, второй закон термодинамики, определяющий взаимосвязь энтропии термодинамической системы и ее температуры. В качестве доказательства ученые поместили наночастицы в искусственно созданное состояние теплового дисбаланса и выяснили, что их поведение в корне отличается от поведения частиц большего размера, помещенных в точно такие условия.

Новости науки и техники

Космический телескоп Fermi обнаружил четкие признаки наличия темной материи в центре нашей галактики

Согласно последним данным, полученным при помощи космического гамма-телескопа Fermi, в центре нашей галактики, галактики Млечного Пути, наблюдается скопление темной материи, наличие которой проявляется в виде потока гамма-излучения с определенными характеристиками. На приведенном выше снимке слева показана карта центра галактики в диапазоне рентгеновских лучей с энергией от 1 до 3.16 ГэВ. Красным цветом показаны области, излучающие лучи с самой высокой интенсивностью. На правом изображении показана та же самая карта с которой убраны следы гамма-излучения от всех известных ныне источников. И оставшееся "лишнее" излучение демонстрирует набор уникальных характеристик, которые позволяют считать это следствием процесса аннигиляции темной материи.

"Это самый четки и явный сигнал из всех когда-либо зарегистрированных людьми, который указывает непосредственно на факт существования частиц темной материи" - рассказал Дэн Хупер (Dan Hooper), ученый из Национальной лаборатории имени Ферми (Fermi National Laboratory).

Используя данные, собранные телескопом Fermi и другими астрономическими инструментами, ученые из Лаборатории Ферми (Fermilab), Центра астрофизики Гарварда-Смитсона (Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics, CfA), Массачусетского технологического института и Чикагского университета создали подробные карты центральной области нашей галактики. При составлении этих карт было замечено, что из центра галактики излучается большее количество гамма-лучей, чем могут излучать в сумме все известные людям источники. Параметры этого лишнего излучения настолько разнятся от параметров излучения всех известных людям источников, что самым вероятным объяснением его происхождения может служить процесс аннигиляции некоторых форм темной материи, концентрация которой в центре галактики должна быть высока по определению.

Трейси Слэтайер (Tracy Slatyer), физик-теоретик из Массачусетского технологического института, рассказывает по этому поводу: "Если наши дальнейшие исследования покажут то, что мы наблюдаем действительно распад темной материи, то это станет главным открытием в этой области. Данное открытие позволит нам не только пролить свет на некоторые загадки темной материи, но и сузить диапазон поиска ее неуловимых частиц до того энергетического диапазона, который доступен нам для прямых исследований в недрах Большого Адронного Коллайдера. Наши наблюдения - это весьма захватывающий случай, который, как говорится, "еще не закрыт", и до его "закрытия" пройдет достаточно много времени. Но может быть в не таком уж и далеком будущем мы сможем с уверенностью сказать: "Именно тогда нам довелось впервые наблюдать эффекты распада темной материи"".

Ниже представлен мультипликационный видеоролик, на котором изображение центра галактики Млечного Пути совмещено с картой гамма-лучей, составленной при помощи телескопа Fermi.

Fermi Galactic Center Zoom

Космос и Авиация

Марсоход Curiosity обнаружил мини-Австралию на Марсе

Марсоход Curiosity прибыл и приступил к проведению научных исследований в месте на поверхности Марса, которое получило название "the Kimberly" в честь округа, располагающегося на севере западной части Австралии. И, судя по новому изображению, сделанному одной из камер марсохода, место Kimberly имеет несколько больше отношения к Австралии, нежели можно себе представить. Навигационная камера марсохода Navcam сделала снимок необычного куска марсианского камня, который вследствие процессов эрозии приобрел весьма своеобразную форму. И в этой форме каждый человек, обладающей некоторой долей воображения, без труда может узнать форму австралийского континента.

Без сомнений, это является лишь проявлением парейдолической иллюзии, психологического феномена, который за счет обмана мозга заставляет людей облекать в знакомые формы объекты, имеющие случайные формы.

Вернемся к Марсу и марсоходу Curiosity. Марсоход прибыл в место Kimberly в среду прошлой недели и начиная с того момента изучает обнажения скал, камни и другие геологические особенности, которые могут предоставить ученым больше информации о геологии и о прошлом Красной Планеты. Следует отметить, что за этой точкой поверхности Марса ученые наблюдают достаточно давно при помощи орбитальных космических аппаратов. И некоторые характерные особенности места Kimberly позволяют ученым надеяться, что это место станет поистине "сокровищницей" новых научных открытий.

"Место Kimberly находится на небольшом возвышении, там в изобилии можно найти множество обнажений древних пород, которые в других местах скрыты под толстым слоем грунта и более поздних пород" - рассказывает Мелисса Райс (Melissa Rice), научный руководитель миссии Curiosity со стороны Калифорнийского технологического института.

Марсоход Curiosity задержится в месте Kimberly на несколько недель, сверля своим буром отверстия, получая доступ к образцам древнего материала. При помощи бортовой химической лаборатории и лазерного анализатора будет проведен тщательный анализ образцов, который позволит сравнить состав пород с составом пород образцов из места Yellowknife Bay, где марсоход провел около месяца в прошлом году занимаясь подобными исследованиями.

Информационные технологии, Мобильные технологии

Разрабатывается технология квантовой криптографии, предназначенная для использования в смартфонах

Исследователи из Центра квантовой фотоники (Center for Quantum Photonics, CQP) университета Бристоля, работающие совместно со специалистами компании Nokia, разработали новую сверхзащищенную систему, которая делает возможным использование технологий квантовых коммуникаций и квантовой криптографии, таких как квантовое распределение криптографических ключей (Quantum Key Distribution) в мобильных телефонах, смартфонах и портативных компьютерах. Отметим, что все современные реализации квантовых технологий имеют большие габаритные размеры, высокую стоимость и использование квантовых систем возможно только в случае их фиксированного местоположения, к примеру, в серверных комнатах банковских информационных центров. Бристольские исследователи впервые в мире продемонстрировали возможность сокращения размеров дорогостоящих квантовых информационных технологий до уровня одного оптического чипа, который можно включать в состав любого портативного электронного устройства.

"Следующим нашим шагом будет перемещение разработанной технологии из стен нашей лаборатории в состав одной из реальных коммуникационных систем" - рассказывает Энтони Лэйнг, - "Квантовая система, использующая фотоны в качестве среды передачи информации, полагается на интегрированные квантово-оптические схемы, разработанные специалистами нашего университета. И на основе этих элементов мы создадим первый мобильный телефон, защищенный от слежки со стороны американского АНБ, систем типа PRISM и подобных систем спецслужб других стран".

Отметим, что вышеприведенные заявления являются не просто голословными, на это указывает то, что Центр квантовой фотоники Бристольского университета является одним из ведущих научных учреждений в области квантовых технологий во всем мире. В центре работает около 70 высококвалифицированных ученых, инженеров и научных сотрудников, а общий объем грантов, выделяемых центру, превышает сумму в 20 миллионов фунтов стерлингов. В настоящее время специалистами центра CQP уже создан несложный квантовый компьютер "Quantum in the Cloud", доступ к процессору которого может получить через веб-интерфейс любой желающий, заинтересованный в получении опыта работы с квантовыми системами.

Реализация столь миниатюрного квантового устройства стала возможна благодаря инновационному протоколу, разработанному научным сотрудником центра CQP Энтони Лэйнгом (Anthony Laing) и его коллегами. Данный протокол позволяет производить надежный обмен квантовой информации в условиях переменной окружающей среды и непостоянных местоположений приемника и передатчика информации

Новости науки и техники

Ученые разрабатывают методику управления молниями при помощи "обернутого" лазерного луча

Разряд молнии - это одно из наиболее опасных и частых явлений на земном шаре. В общей сложности каждую секунду молния бьет в среднем 50 раз, огромные разряды электричества, более горячие, чем поверхность Солнца, без всякого предупреждения поражают поверхность Земли, деревья, здания и другие объекты. Более того, вышеупомянутые деревья, здания и люди на открытой местности буквально притягивают к себе разряды молний, последствия которых в некоторых случаях бывают весьма трагичными. Все это объясняет интерес людей к области управления молниями, в мире уже давно существуют такие технологии, которые провоцируют разряды при помощи реактивных ракет и другой техники. А исследователи из университета Аризоны и университета Центральной Флориды предлагают использовать для этого высокоскоростные мощные лазеры.

Американские исследователи подошли к решению проблемы совершенно нетрадиционным путем. Вместо того, чтобы наращивать мощность одного единственного луча лазерного света, они создали установку, позволяющую "обернуть" один луч лазера в защитную оболочку луча второго лазера, при этом, длительность импульса света внутреннего лазера чрезвычайно мала, она составляет миллиардную часть от миллионной доли секунды. Такая комбинация приводит к получению короткого, но чрезвычайно мощного импульса света, который может беспрепятственно пронизать большое расстояние. В лабораторных тестах такой "обернутый" лазерный луч оказался способен преодолеть расстояние в несколько раз превышающее расстояние, преодолеваемое обычным лазерным лучом.

Пока еще очень рано говорить о практическом применении разработанного метода. Но он, этот метод, может стать фундаментом для дальнейшего совершенствования технологии управления разрядами молний. И когда-нибудь, когда дальность действия антигрозовых лазерных установок достигнет нескольких километров, эти установки позволят предотвратить ущерб, наносимый разрядами молний, и, возможно, спасут множество человеческих жизней.
Идея использования импульсов света лазера для управления разрядами молний уже далеко не нова. Лазерный луч на пути своего распространения возбуждает молекулы воздуха, которые распадаются на ионы и свободные электроны. Получившийся ионизированный канал обладает высокой электрической проводимостью и является идеальным путем для распространения разряда молнии. Используя такие каналы можно инициировать разряд и направить его энергию в место, где он не нанесет никому никакого ущерба.

В этом направлении работает множество групп ученых, некоторым из которых удалось добиться значимых успехов, а некоторые из которых только и продолжают проводить эксперименты в своих лабораториях. Но всем этим ученым приходится сталкиваться с одной главной проблемой, свет лазера не может сохранять свои параметры при распространении в атмосфере на большие расстояния. Высокоэнергетические импульсы лазерного света, рассеиваясь атмосферой, теряют энергию очень быстро и становятся бесполезны.

Информационные технологии, Электроника и полупроводники

Создан первый быстродействующий фотонный чип, работающий на принципах головного мозга

В настоящее время множество коммерческих, государственных и научных организаций используют компьютеры для того, чтобы извлекать крохи полезной информации из огромных объемов поступающих неструктурированных данных. Большинство используемых для этого технологий, разработанных около или более десятилетия назад и основанных на последовательном анализе данных, уже морально устарели и полностью исчерпали свои возможности. С решением этой задачи, которая со временем будет только усложняться в связи с ростом объемов обрабатываемых данных, смогут справиться только специализированные высокоскоростные аппаратные средства, созданные на базе совершенно новых вычислительных методов и потребляющие при своей работе очень малое количество энергии.

Первым шагом к созданию таких специализированных процессоров является создание учеными из университета Гента, Бельгия, первого фотонного кремниевого чипа, структура которого содержит 16 узлов нейронной сети, работающей на таких же принципах, как и головной мозг человека.

Работая над подобными чипами, ученые преследуют цель создания компактных высокоскоростных устройств обработки информации, которые могут успешно справляться с входными потоками, скоростью более чем 100 гигабит в секунду, и обрабатывать их при помощи сложных самообучающихся и адаптивных алгоритмов. А использование света в качестве носителя информации вместо электрического тока должно позволить таким чипам выполнять свою работу, практически не расходуя на это энергию из внешнего источника.

Фотонный пассивный чип, созданный бельгийскими учеными, пока позволяет обработать поток входных данных, имеющий скорость до 12.5 гигабит в секунду, внутри чипа с этими данными могут быть произведены различные операции, включая обработку по законам двоичной логики. А использование технологий компьютерного самообучения и алгоритмов нечеткой логики позволяет при помощи достаточно скромных возможностей чипа выполнять и более сложные вычисления, такие, как распознавание образов цифр и букв в потоке входных аудиоданных.

Следует отметить, что, несмотря на простоту и ограниченность возможностей первого опытного образца фотонного чипа, в его структуре заложенных все необходимые принципы, которые позволят в будущем реализовывать нейронные сети любой сложности, способные справиться с потоками данных, скорости которых будут измеряться сотнями, тысячами и миллионами гигабит в секунду. Естественно, такие фотонно-нейронные чипы никогда не смогут стать заменой универсальных центральных процессоров вычислительных систем, но они смогут стать устройствами предварительной обработки информации мощнейших систем искусственного интеллекта, способных самостоятельно решать задачи любого уровня сложности.

Описание созданного фотонного чипа и его потрясающих возможностей было опубликовано учеными в последнем выпуске журнала Nature Communications. А исследования, которые привели к созданию чипа, были проведены в рамках бельгийской научной программы IAP по заказу и под финансированием Европейского научного совета (European Research Council, ERC).

Робототехника

Робот-пожарный SAFFiR готовится впервые шагнуть в огонь

В течение нескольких лет специалисты из Политехнического университета Вирджинии и университета Пенсильвании, работающие по заказу от Исследовательской лаборатории ВМФ США (U.S. Naval Research Laboratory), ведут разработку противопожарного автономного робота, который может эффективно и самостоятельно действовать в чрезвычайной ситуации внутри замкнутых внутренних помещений и отсеков военных судов. И в самом скором времени новый вариант робота SAFFiR (Shipboard Autonomous Firefighting Robot), получивший массу усовершенствований аппаратной и программной части, в рамках программы полевых испытаний готовится впервые в своей "жизни" шагнуть в открытый огонь.