MakeItQuantum

Представляем вашему вниманию обзор достижений физики микромира, случившихся за прошедший год. Полную версию статьи со всеми ссылками и картинками можно прочитать здесь: http://makeitquantum.ru/2015-physics-review/

Начнем с общего любимца - графена.

В 2015 году из него научились делать сразу несколько полезных устройств:

LED-лампочки повышенной эффективности: http://geektimes.ru/post/248058/

Биосенсор на основе графена: https://vk.com/wall-75841519_982, http://actu.epfl.ch/news/a-graphenebased-sensor-that-is-tuna...

Ультратонкие плоские линзы из оксида графена: http://phys.org/news/2015-09-ultrathin-lens-revolutionise-ne...

И самоскладывающиеся оригами на его же основе: http://news.sciencemag.org/technology/2015/11/video-carbon-b...

А еще исследователи наблюдали в графене сверхпроводимость и измерили спиновое состояние отдельного атома металла на слое графена!

Метаматериалы

Не отставали ученые и в области метаматериалов (искусственно созданных структур с заданными свойствами):

Плащ-невидимка, работающий в видимом диапазоне света: http://makeitquantum.ru/invisibility-cloak

Метаматериал из спиральных элементов, способный поглощать электромагнитные волны в очень узком диапазоне: https://vk.com/wall-75841519_1009

"Метазеркало", работающее в микроволновом диапазоне и способное отражать падающее излучение произвольным образом: https://vk.com/wall-45909075_1728

Трехмерный метаматериал из миниатюрных сверхпроводящих спиралек, который можно использовать для изготовления настраиваемых эффективных радиоантенн: https://vk.com/wall-75841519_688

Плащ-невидимка, работающий в видимом диапазоне света! Источник: Xingjie Ni et al., DOI: 10.1126/science.aac9411

Сверхпроводящие кубиты

Сверхпроводящие кубиты не уставали удивлять нас новыми открытиями и прорывами. На сегодняшний день исследователи очень близки к созданию первых полноценных квантовых процессоров. Одним из первых шагов на пути к этому стала демонстрация квантовых алгоритмов коррекции ошибок на 9-ти кубитах, что в перспективе позволит поддерживать заданное квантовое состояние кубитов неограниченно долго. В другой интересной работе, проделанной этой же научной группой, была показана возможность цифровой симуляции сложных физических систем с помощью сверхпроводящих кубитов.

Широкий общественный резонанс вызвало создание первого российского сверхпроводящего кубита коллаборацией ученых из МФТИ, МИСиС и ИФТТ. Подробнее об этом можно прочитать здесь: http://makeitquantum.ru/first-russian-qubit/. Это событие ознаменовало серьезный шаг по освоению технологий нанофабрикации в России, а потому было награждено престижной премией "Сделано в России": https://mipt.ru/science/labs/artificial_quantum_systems_lab/... (новость от 28 сентября)

Несколько лет назад была предложена трехмерная архитектура для сверхпроводящих кубитов, которая обеспечила им особенно долгое время жизни. Теперь же японские ученые воспользовались этой архитектурой, чтобы связать сверхпроводящий кубит с магноном. А исследователи из Национального института стандартов и технологий в США смогли "увидеть" квантовомеханические флуктуации механического осциллятора с помощью сверхпроводящего кубита!

Тем временем, другая группа известных физиков предложила использовать звуковые волны для соединения отдельных кубитов и их общения между собой. И в нескольких лабораториях по всему миру в данный момент исследователи работают над этой новой областью "квантовой акустики". А еще две исследовательские группы из Нидерландов и Дании создали "смешанный" тип кубитов из сверхпроводников и полупроводниковой нанопроволоки!

Отдельно можно отметить работу ученых из Технологического Университета Чалмерс, которые смогли продлить время жизни сверхпроводящего кубита в 10 раз, просто поместив перед ним специальное "зеркало", и создание сверхчувствительного термометра на туннельном контакте.

Альтернативные виды кубитов

Параллельно со сверхпроводящими кубитами быстрыми темпами развивались и другие виды кубитов. Например, ученые создали кубит на тройной квантовой точке с использованием очищенного изотопа кремния и продемонстрировали двухкубитные квантовые операции на кремниевом чипе, а связанные кубиты на фотонах и атомах приблизили создание "квантовых сетей". Существенно улучшались и методы манипулирования отельными квантовыми объектами - так исследователи научились управлять отдельными атомами в трехмерной оптической решетке и использовать их в качестве кубитов. Продолжает экспериментально развиваться и идея использования связанных майорановских состояний в качестве новой платформы для создания квантового компьютера.

Еще один вид кубитов, теоретически предложенных достаточно давно, наконец получил свое воплощение в потрясающем эксперименте! Речь идет об электронах на поверхности сверхтекучего гелия, которые ученые смогли связать со сверхпроводящим резонатором!

Контроль над микромиром

Под конец, мы хотели бы упомянуть несколько потрясающих экспериментов, которые продемонстрировали потрясающий прогресс в возможностях ученых контролировать объекты микромира:

Создан лазер на живой клетке: https://vk.com/wall-75841519_1093

Квантовый микроскоп позволил увидеть распространяющуюся волну запутанности: https://vk.com/wall-75841519_1042

На одном чипе достигнута когерентная связь между радиоволнами, светом в инфракрасном диапазоне и акустическими колебаниями: https://vk.com/wall-75841519_1228

Продемонстрирован датчик на трибоэлектрическом эффекте, не требующий внешнего источника энергии: https://vk.com/wall-75841519_1295

С помощью технологий микрофлюидики создан жидкостный диод на микромасштабе и память с произвольным доступом на живых магнитных клетках!

Разработан компактный источник рентгена для исследования биологических материалов: https://vk.com/wall-75841519_1322

Кроме того, ученые научились генерировать рентгеновские импульсы произвольной формы и "поворачивать" рентгеновское излучение на чипе!

В новом году нас ждет еще больше удивительных научных открытий, так что заглядывайте к нам! http://makeitquantum.ru/

Материал для суперконденсаторов, майорановские фермионы, хамелеоноподобная кожа и электроны на поверхности жидкого гелия!

Исследователи разработали новый материал для суперконденсаторов (готовься, Тесла!), который можно легко внедрить в существующее производство благодаря его широкой доступности!

В ЧЕМ СУТЬ

Cуперконденсаторы имеют множество преимуществ перед привычными всем аккумуляторами, одно плохо - емкость у них все еще маловата, а определяется она площадью поверхности электродов конденсатора. Неудивительно, что ученые уже некоторое время работают над ее увеличением, пытаясь использовать различные пористые проводящие материалы (активированный уголь, например).

Последний писк в этой области, конечно же, углеродные нанотрубки и графен, которые состоят из слоя атомов углерода толщиной в один атом, и уже использовались для создание суперконденсаторов-рекордсменов. Проблема в том, что стоимость их производства остается довольно высокой, а существующие технологии не позволяют производить их в достаточных для промышленного производства объемах.

Другой подход к созданию суперконденсаторов высокой емкости - использование активных редокс-молекул, которые охотно забирают электроны и затем отдают их обратно. Но и здесь существуют свои сложности - некоторые из них распадаются после нескольких циклов зарядки, другие же не достаточно пористы.

Два года назад химики из Корнелльского университета предложили новую платформу - ковалентный органический фреймворк (COF), который при нужных условиях самособирался в гексагональную решетку с отверстиями посередине каждой ячейки. Такие слои можно было последовательно наращивать, причем отверстия ячеек выстраивались друг над другом, образуя искусственные поры с большой площадью поверхности.

Уже первые эксперименты показали серьезную емкость порядка 160 фарад на грамм материала. Проблема была в недостаточной проводимости материала, которая не позволяла создавать электроды толщиной более 200 нанометров (иначе электроны просто не могли перебраться с одного края на другой).

Теперь, похоже, учены удалось обойти и это ограничение, покрывая слои COF тонким проводящим полимером (известным как PEDOT), в результате чего получившиеся конденсаторы имели емкость до 350 фарад на грамм - выше, чем у любого промышленно производимого сегодня суперконденсатора. Это по-прежнему гораздо меньше продемонстрированной в экспериментах с углеродными нанотрубками 3300 фарад на грамм, но не в этом суть. Благодаря широкой доступности используемых компонент и их относительной дешевизне, новые суперконденсаторы могут быть легко выпущены на рынок.

Ученые подтвердили существование майорановских фермионов на концах одномерных проволок, совместив атомно-силовую и сканирующую туннельную микроскопию!

В ЧЕМ СУТЬ

Про майорановские фермионы все давно уже наслышаны. Пока физики десятилетиями пытались обнаружить их на ускорителях и в космосе, небезызвестный теоретик Алексей Китаев в 2001 году предположил их наличие в квантовых проволоках, толщиной в 1 атом. Более этого, он показал возможность использования таких систем в качестве долгоживущих кубитов для построения квантового компьютера.

Его голос был услышан, однако для экспериментальной проверки потребовалось ждать еще около десяти лет, пока технология изготовления и исследования наноструктур не выйдет на нужный уровень. Наконец, начиная с 2012 года различные группы по всему миру стали писать о наблюдении майорановских фермионов в одномерных цепочках атомов.

Скептицизм научного сообщества по отношению к этим заявлениям был достаточно силен, пока в прошлом году с помощью сканирующего туннельного микроскопа (STM) не было продемонстрировано наличие связанных майорановских состояний на концах цепочки из атомов железа на сверхпроводящей свинцовой подложке.

Наконец, в этой работе ученые из университета Базеля, использовав атомно-силовой и сканирующий туннельный микроскоп, продемонстрировали наличие упорядоченных моноатомных цепочек атомов железа на свинцовой подложке со связанными майорановскими состояниями на концах (см. картинку ниже).

Более того, они подтвердили локализованность этих состояний на длине ~25 нм, что хорошо согласуется с теоретическими предсказаниями. Все это подтверждает возможность использования связанных майорановских состояний в качестве новой платформы для создания квантового компьютера!

Ученые создали гибкую хамелеоноподобную электронную "кожу", которая меняет свой цвет при прикосновении!

В ЧЕМ СУТЬ

Способность хамелеонов менять цвет своей кожи давно изумляла ученых, которые, с одной стороны, пытались понять механизм работы этого феномена, а с другой - создать искусственный материал с подобными свойствами. Подходов к созданию такого материала было предпринято множество - микроканалы с подкрашенной жидкостью, оптоэлектронные системы, флюоресценция и т.д.

В новой работе исследователи из Стэнфордского университета создали гибкую многослойную электронную "кожу" на полимерной подложке, оборудованную датчиком давления на основе электрохромной пленки. Схема устройства показана на первой картинке ниже: слой электрохромного полимера (действующего в качестве пигментных клеток) зажат между двумя слоями диэлектрика - микроструктурированного полидиметилсилоксана (PDMS) с покрытием из углеродных нанотрубок.

Процесс изготовления такого устройства показан на картинке выше, а принцип его работы довольно прост - с верхней части микро-пирамидок удалено покрытие с углеродными нанотрубками, поэтому в стационарном состоянии ток через пленку не течет. Однако, стоит приложить давление (прикоснуться) к поверхности, как проводящий слой начинает соприкасаться с покрытием проводящих углеродных нанотрубок, что приводит к появлению тока.

Добавив электрохромный полимер (темной-красный в нормальном состоянии и голубой в окисленном) в качестве промежуточного слоя, ученые добились нужной функциональности устройства (на последней картинке можно увидеть как оно выглядит в реальности).

В дальнейшем ученые планируют исследовать различные электрохромные полимеры для отображения различных цветов, а также объединять их в массивы для большего покрытия цветового спектра, высокой контрастности и разрешения. Такие устройства обещают найти свое применение в интерактивных носимой электронике, искусственном протезировании и умной робототехнике.

Это потрясающе! Ученым удалось связать электроны на поверхности сверхтекучего гелия со сверхпроводящим резонатором!

В ЧЕМ СУТЬ

Использование электронов на поверхности сверхтекучего гелия для создания квантового компьютера была предложено более 15 лет назад, но оставалось не более чем игрушкой теоретиков из-за сложностей экспериментальной реализации. До недавнего времени.

Группа ученых из Чикагского университета использовала новый подход - чип со сверхпроводящим резонатором (с дополнительным электродом для создания нужного потенциала), помещенный в герметичный контейнер, в который подавался жидкий гелий.

Им удалось пронаблюдать сильную связь между запущенным на поверхность жидкого гелия ансамблем электронов и сверхпроводящим резонатором, проявлявшуюся в сдвиге его частоты. Полученные результаты позволяют рассчитывать на возможность управлять состоянием не только ансамбля в целом, но и отдельными электронами.

Все это делает создание квантового компьютера на основе электронов на поверхности жидкого гелия реальностью и открывает путь совершенно новым экспериментам с этими замечательными системами!

Больше на: http://makeitquantum.ru/digest-300815/