Энергия без электричества — в ИТМО разработали наноустройство для оптического компьютера
Физики ИТМО и Академического университета им. Ж. И. Алферова разработали устройство, которое может применяться как транзистор для оптического компьютера.
Разработка позволяет без использования электрических проводников создавать электрическое поле в наноструктуре. Ученые смогли не только теоретически описать этот процесс, но и экспериментально продемонстрировать его в наноантенне.
Транзисторы, крошечные полупроводниковые приборы, которые нужны для управления электронным потоком, содержащим в себе информацию, каждый год становятся все меньше и энергоэффективнее. Во многом именно от них зависят мощность и скорость работы любой техники, в том числе компьютеров и смартфонов. Однако ученые и инженеры почти достигли фундаментальных пределов по их улучшению. Увеличить производительность устройств можно с помощью перехода от электронов к частицам света (фотонам). Фотоны — идеальный инструмент для передачи информации: свет может переноситься на десятки и сотни километров практически без затухания и искажений. Поэтому создание оптического компьютера — это уже давно не просто научный интерес, а необходимость.
«Для разработки оптического компьютера нужно заменить каждую часть обычного ПК на оптический аналог. Мы смогли сделать в некотором смысле строительный кирпичик будущего оптического чипа — наноструктуру, которая может использоваться как конденсатор или даже транзистор. С ее помощью можно в том числе управлять потоком фотонов: например, менять интенсивность или направление излучения. Также в нашей наноструктуре удалось сгенерировать постоянное электрическое поле, причем только за счет света, без использования электродов или дополнительных электрических систем»,— рассказывает Яли Сунь, младший научный сотрудник физического факультета ИТМО.
Миниатюризация — это еще одна из задач, которую старались решить ученые: чем меньше структура, тем больше потенциальных транзисторов можно поместить на единице площади, то есть тем мощнее будет готовое устройство. Наличие оптических резонансных свойств и объединение двух материалов в единой наносистеме позволили ученым создать в ней статическое электрическое поле под действием лазерного излучения и таким образом обойтись без электродов. Ранее этот эффект удавалось продемонстрировать только в громоздких системах — например, в объемном кремнии.
«По форме наша наноструктура напоминает шахматную пешку — сферу, погруженную в усеченный конус. Наши исследования на наноструктурах с разной геометрией показали, что именно такая форма лучше всего подходит для генерации электрического поля. Наноструктура включает в себя материалы, которые широко применяются в микроэлектронике,— кремний и золото. Как она работает: мы светим на нее лазером и формируем электрическое поле в полупроводнике, которое изменяет оптический отклик наносистемы. То есть выходным излучением такой наноструктуры можно управлять за счет света. Это важно для фотон-фононного взаимодействия. Результаты помогут в создании оптических компьютеров, где все процессы будут выполняться только за счет фотонов»,— поясняет Артем Ларин, соавтор проекта, инженер физического факультета ИТМО.
Яли Сун и Артем Ларин
По словам Дмитрия Зуева, научного руководителя проекта, старшего научного сотрудника физического факультета ИТМО, самым сложным в исследовании было описать экспериментальные результаты теоретическими расчетами, так как теория объясняет идеальный случай без учета множества факторов. Дальше физики планируют провести эксперименты с другими геометриями, чтобы упростить технологию создания таких наносистем.
Дмитрий Зуев, старший научный сотрудник физического факультета ИТМО, ответил на вопросы «Ъ-Науки».
— Известные на сегодня альтернативные источники питания могут преобразовывать энергию ветра, воды или солнца. Ваша наноструктура устроена по-другому? Расскажите как.
— Нашу наноструктуру не совсем корректно сравнивать именно с источниками питания, так как электрическое поле в нашем случае создается ультракороткими лазерными импульсами на небольшой момент времени. Гипотетически поле с такой напряженностью могло бы быть сформировано при освещении солнечного элемента миллионом солнц (что, конечно, привело бы к разрушению солнечного элемента), но так как в нашей наноструктуре поле живет недолго, то она не разрушается. Поэтому разработанную нами систему логичнее использовать не для хранения энергии, а для быстрой модуляции оптических сигналов в перспективных системах связи и передачи информации.
— Что такое оптический компьютер? Зачем надо его создавать? Чем он будет лучше обычного «электрического»?
— Элементная база обычного компьютера представляет собой набор пассивных и активных компонент — проводов, по которым бегут электроны, и транзисторов, которые выполняют логические операции. Теперь давайте заменим такую элементарную частицу, как электрон, на фотон и для него реализуем элементную базу ранее указанных компонент. В таком случае обычный ПК превращается в ультрасовременный оптический компьютер прямиком из научной фантастики. Таким образом, оптический компьютер — вычислительное устройство, где информация передается и обрабатывается с помощью операций над потоком фотонов.
Переход от «электрического» компьютера к оптическому вызван прежде всего необходимостью увеличения скорости и объема обработки-передачи информации. В настоящее время для электрических компьютеров эта задача решается миниатюризацией электронных компонентов. Такой подход рано или поздно столкнется с фундаментальными физическими ограничениями, прежде всего связанными с нагревом. Компьютеры на основе оптических чипов позволят избежать не только этой проблемы, но и сопутствующих расходов, связанных с охлаждением вычислительных систем. При этом оптические компьютеры будут проводить расчеты на порядок быстрее, поэтому они найдут свое применение для решения сложных параметрических задач и обработки больших объемов данных за короткое время.
— Сможет ли подобный прибор работать совсем без электричества?
— Если говорить о замене электронов на фотоны при использовании существующей архитектуры компьютера, то нужно учитывать, что источники оптического излучения все равно питаются от электричества. Конечно, если пофантазировать, то можно предположить, что для работы оптического компьютера можно использовать солнечное излучение, которое при этом все равно надо будет предварительно подготовить (сделать когерентным, а также выделить определенную длину волны излучения). Однако в этом случае устройство потеряет свою автономность, ведь, когда зайдет солнце, устройство отключится. Но если серьезно, чтобы оптическое вычислительное устройство работало, нужен источник излучения, который работает без перебоев целый день. Поэтому в настоящее время реалистичной кажется концепция гибридной системы, когда источники излучения питаются от розетки, а все логические операции, работа с оптическими аналогами элементов памяти будут реализованы при помощи оптических сигналов.
— Для чего еще в будущем можно будет использовать технологии, основанные на фотонах?
— Технологии связи, основанные на фотонах, знакомы каждому из нас — оптоволоконный интернет доступен практически в каждом доме. При этом будущие области применения фотонных и особенно нанофотонных технологий гораздо шире. В ведущих мировых лабораториях ведутся исследования по устранению раковых опухолей с помощью специально подготовленных наночастиц, которые при облучении светом позволяют селективно уничтожать злокачественные клетки. Также наночастицы, взаимодействующие с фотонами, применяются для создания высокочувствительных оптических биосенсоров, управления химическими реакциями, создания сверхзащищенных меток для борьбы с подделкой товаров и т. д. Несмотря на то, что такие технологии только начинают выходить из лабораторий, у них действительно большое будущее, и в перспективе они смогут сильно изменить нашу жизнь.
— Как, на ваш взгляд, будет развиваться эта технология в дальнейшем?
— Если возвращаться к вопросу оптических компьютеров, то очевидное развитие этого направления — замена существующих электрических компонент вычислительных устройств на фотонные, а также их последующее объединение на едином оптическом чипе — аналоге существующих процессоров. Сейчас можно предположить, что в дальнейшем для решения задач, где большой объем обрабатываемой информации и скорость критичны, будут использоваться оптические компьютеры, в то время как традиционные электронные компьютеры будут применяться для персонального использования. Однако история показывает, как прогнозы о бесперспективности телефонов и компьютеров для домашнего использования, которые дал ряд экспертов на заре этих технологий, потерпели неудачу. Поэтому реальность, к которой приведет дальнейшая эволюция фотонных технологий, может превзойти даже очень смелые предположения.
Источник: https://www.kommersant.ru/doc/6296566
Где "нобелевка" Тиграна Шмаонова?
📡 В середине пятидесятых годов молодой аспирант Пулковской обсерватории Тигран Шмаонов, не подозревая об этом, сделал открытие огромного значения. Он обнаружил идущее с неба фоновое радиоизлучение непонятной природы.
Спустя 8 лет уже американские радиофизики Роберт Уилсон и Арно Пензиас поймали необъяснимый сигнал, интенсивность которого не менялась от направления на небосводе. Они опубликовали свою работу в Astrophysical Journal в 1965 году, а через тринадцать лет после этого были удостоены Нобелевской премии.
Кириллу Масленникову удалось встретиться с живой легендой советской астрономии Тиграном Арамовичем Шмаоновым, поговорить о том, как проходила его работа и почему премия досталась другим ученым.
Содержание ролика:
00:23 Реликтовое излучение
02:28 За 8 лет до этого
05:00 Тигран Шмаонов
05:54 Предшествующие работы
07:09 Калибровка аппаратуры
07:56 Есть ли излучение в зените
11:00 Как привезти жидкий гелий
15:00 Публикация в журнале
17:05 Какие антенны использовались
19:45 Техника безопасности
20:46 Принцип жизни
21:50 Имя в истории астрономии
Поиграем в бизнесменов?
Одна вакансия, два кандидата. Сможете выбрать лучшего? И так пять раз.
Оптоэлектроника, лазеры и Жорес Алфёров. Алексей Евгеньевич Жуков
Лазеры и оптические системы сейчас используются во многих сферах деятельности. Начало этому направлению положил нобелевский лауреат Жорес Иванович Алфёров, и отдельные его веточки активно развиваются. Например, квантовая оптоэлектроника.
Герой нового научного интервью — Алексей Евгеньевич Жуков, руководитель Международной лаборатории квантовой оптоэлектроники, ученик Ж. И. Алфёрова.
В интервью мы обсудили такие темы, как создание лазеров и качественные скачки в их развитии, шифр, который невозможно взломать, а также почему открытия признаются далеко не сразу.
Интервью будет интересно как тем, кто связан с физикой, так и тем, кто далёк от этой науки. А принципы и рекомендации, которые приводит Алексей Егеньевич, можно перенести и на другие сферы деятельности.
ТЕМЫ, РАССМОТРЕННЫЕ В ИНТЕРВЬЮ:
00:00 — Заставка
01:22 — Про попадание к Ж. И. Алфёрову
02:52 — Работа под руководством Ж. И. Алфёрова: какие навыки поставила?
04:34 — Какие действия Наставника влияли на интерес к науке?
07:43 — Про первый лазер на квантовых точках (90-е годы) и дальнейший рост направления
12:04 — Направление №1. Микролазеры
13:42 — Направление №2. Использование кремния
15:19 — Роль Е. В. Жукова в создании лазера на квантовых точках
17:27 — Про алгоритмы становления Профессионалом
22:44 — Есть ли слабые докторские диссертации и научные статьи?
26:53 — Про качественные скачки в оптоэлектронике
31:10 — Почему лазеры на кремнии активно развиваются?
37:54 — Есть ли разногласие в подходах в оптоэлектронике?
40:23 — Про внедрение лазеров: на Западе и у нас
44:52 — Как оптоэлектроника помогает приблизиться к созданию квантового компьютера?
46:33 — Про квантовую криптографию
51:51 — Про парадигмы в оптоэлектронике
55:12 — Гуру из интернета и дискредитация квантовой физики?
58:59 — Нобелевская премия: почему запаздывает признание достижений?
01:02:03 — Про трудности при создании лаборатории
01:05:18 — Как формировался коллектив лаборатории?
01:07:20 — Развивающий блиц
Оказывается, 18 февраля не стало энтомолога Джастина О. Шмидта
Человек, подаривший нам Шкалу силы ужалений насекомых. Ему обязан своей популярностью видеоблогер-натуралист Натаниель "Койот" Петерсон, который проверил эту шкалу на своей шкуре и расширил ее. Собственно, так вышло, что он был последним, кто взял у Джастина интервью за пять месяцев до его смерти.
Смерть наступила от последствий болезни Паркинсона.
Видео Койота Петерсена в память о Шмидте (eng.).
Пьём чай с популяризатором науки Александром Панчиным
Пьём китайский чай с популяризатором науки Александром Панчиным. Обсуждаем портрет его аудитории, моду на научпоп, любимых спикеров, цензуру, количественный гуманизм, эффективный альтруизм и придаёт ли смерть смысл жизни. Это первый ролик из трёх в серии.
Во втором ролике мы обсудили науку и рациональность (моду на эмерджетность, ограбление Паскаля, парадокс Ньюкомба, бритву Оккама и проблему демаркации науки). В третьем ролике обсудили детерменизм, свободу воли, сознание и философского зомби.
Сможете найти на картинке цифру среди букв?
Справились? Тогда попробуйте пройти нашу новую игру на внимательность. Приз — награда в профиль на Пикабу: https://pikabu.ru/link/-oD8sjtmAi
ИНТЕРВЬЮ С АНДРЕЕМ ЖУРАВЛЕВЫМ
Андрей Журавлев - палеонтолог, эволюционный биолог, изучающий сообщества вымерших организмов, губок, линяющих, а также эдиакарскую биоту.
Интервьюер:
Как сосуществовали вендобионты в различных сообществах? Была ли тогда какая-нибудь конкуренция?
Андрей Журавлев:
Поскольку вендобионты возрастом 565 миллионов лет (самые первые вендобионтные сообщества) отличались по своим размерам, по площади поверхности и по высоте, то конечно предполагалось что между ними была конкуренция за ресурсы, поскольку, в зависимости от своей высоты, организм находится в течении разной скорости. Соответственно у него уровень облова и интенсивность вылова всяких органических соединений выше (хотя трудно сказать, чем они питались). Но в современной науке так просто все не бывает, что дескать посмотрели, убедились, что размеры разные и этого достаточно. По счастью, местонахождения возрастом 465 миллионов лет в Ньюфаундленде и Англии позволяют изучить как, кто и с кем жил в это время. Существуют большие площади, покрытые организмами, которые остались, если не в прижизненном положении, то на том самом месте, где они когда-то осели и где их в конце-концов привалило-придавило вулканическим пеплом. Такие единовременные сообщества позволяют анализировать свою структуру. Но брать оттуда ничего нельзя, потому что если кто-то возьмет, то анализировать будет нечего. Поэтому в таких местонахождениях, как Чарвуд и авалонские местонахождения Ньюфаундленда, изучать все нужно на месте. Поэтому запускается лидар, обычно с помощью тетракоптера, который делает подробную объемную съемку всей поверхности, а потом то что было получено анализируется. Ну конечно это все с высоким разрешением делается, можно потом на этой съемке изучать детали строения остатков самих организмов на миллиметровом уровне (и тем более анализировать сообщества). А потом, собственно, считается, кого сколько было, и с помощью статистических программ сравниваются сообщества разных площадей, разных уровней осадка (это означает, что они жили в разное время). И выносится вердикт, было ли действительно такое четко выраженное сосуществование, что указывает на конкуренцию, когда организмы разных размеров, скажем, (в данном случае разной высоты или разной площади) друг с другом четко сосуществуют. Вот среди вендобионтов такого не оказалось и, по большей степени, высота им нужна была для того, чтобы дальше "раскидать" свои пропагулы, то есть то, с помощью чего они размножались. Опять же мы не знаем, что там было – личинки или просто яйца, которые плавали, – все это уплывало явно недалеко, поскольку все сообщества вендобионтов организованы из очень плотных поселений одного и того же вида, кто первый осел – тот всю площадь занял. Все остальные иногда могут втиснуться в несколько экземпляров. Все это показывает, что конкуренции за ресурсы, как таковой, в общем-то не было.
Ну это действительно так. Если посмотреть на более поздние сообщества уже скелетных вендобионтов, которые жили всего с 545 по 540 миллионов лет назад, там та же картина наблюдается. По сути у нас в Намибии есть два таких скелетных существа: одно называется намакалатус и представляет собой такую шестигранную (ну, скорее восьмигранную: шесть боковых граней и еще две – нижняя и верхняя) чашечку, среди каждой грани дырочка, внизу стебелек и сверху, соответственно, все открыто (кто он такой, точно неизвестно, возможно какой-то фильтратор, у которого были щупальца с наибольшей вероятностью); и второй – клаудина, ну а это, скорее всего, какая-то такая трубочка слоистая, такого своеобразного строения, как-бы неправильного: состоит из нескольких конусов, которые друг в друга вставлены.Представьте себе пластиковый стакан, отрезаем дно, вставляем еще один пластиковый, потом еще один, ну и так вот несколько десятков и все это произвольно сминаем, – так вот выглядела клаудина. Возможно это какое-то древнее кораллоподобное существо.Вот опять же та же самая картина наблюдается: поселилась клаудина – нет намакалатусов, поселились намакалатусы – нет клаудин. И все! И никакой конкуренции! Хотя можно представить, что в общем-то по размеру они близки и по характеру питания (ну там какие-то микрофаги) тоже близки, но вот не конкурировали! Просто заселяли пространство и все. Изредка-изредка встречались друг с другом, но опять же, кто торчащий, а кто реже.
А вот, начиная с кембрийского периода, тут появляется явная конкуренция, что мы видим на примере рифовых сообществ, которые в то время были представлены группой губок с мощным обызвествленным скелетом, называются они археоциаты. И такой же точно анализ, который мы проводили для вендобионтов (ну, вот для эдиакарских, не я этим занимался)... А вот кембрийскими сообществами мы занимались с теми же самыми ребятами, которые анализировали сообщества авалона и Англии, ну понятно что это англичане из Кембриджского университета и Университета Эдинбурга. Главное лицо там – Эмили Митчелл, такая дама очень активная, которая хорошо разбирается во всяких статистических программах, позволяющих анализировать, собственно, попарные всякие коэффициенты (это как раз и есть анализ того, кто с кем живет). Ну мы недавно проанализировали также рифовые сообщества, и оказалось, что они очень сильно структурированы. И там уже была конкуренция, по крайней мере в пределах фильтраторов. Не случайно археоциат очень много, они все были очень разные и по-разному друг с другом уживались: то-то уживался очень хорошо, а кто-то наоборот не уживался совсем, они принадлежат к разным сообществам, а те, кто уживались хорошо, принадлежали к одним и тем же сообществам. И не важно где эти сообщества находятся: рядом или на расстоянии, скажем, шестьсот километров друг от друга. Структура остается одной и той же. Это вот хороший показатель того, что они были действительно конкурентные.
Интервьюер:
Что тормозило темпы развития эукариот во время события Ломангунди-Ятулий?
Андрей Журавлев:
Ну, отсутствие кислорода, в первую очередь, тормозило. Потому что само по себе событие Ломангунди-Ятулий, видимо, связано с тем, что цианобактерии наконец научились в больших объемах разлагать воду, забирая протон, для того чтобы использовать его во всех последующих реакциях цепочки реакций, в результате которых под действием энергии солнца формируется органическое вещество, и дальше у нас, как побочный продукт разложения воды, получается кислород, который выходит в атмосферу. Казалось бы, он вышел и накопился, но не тут-то было! Океан в то время состоял из гигантского количества ионов неокисленного железа и весь кислород, как появился, так и рухнул. Поэтому само по себе событие Ломангунди-Ятулий изображается в первую очередь у нас тем, что вот у нас мощный скачок изотопии углерода, который показывает, что в это время очень бурно развивался цианобактериальный фитопланктон и, может быть, какие-то там бентосные маты на мелководье, тоже цианобактериальные; ну вот весь кислород, который они выпустили, при этом создав огромную биомассу, он опять же потребился на окисление этой биомассы и главное, что уходил постоянно на окисление железа. И это продолжалось еще до конца протерозоя, то есть событие Ломангунди-Ятулий – это самое начало протерозоя, где-то 2,2 миллиона лет и вплоть до конца протерозоя, те самые 540 миллионов лет, о которых я говорил в ответе на вопрос об эдиакарских и кембрийских событиях. Кислорода было в атмосфере, и соответственно в мировом океане, очень мало. И даже в кембрийском периоде его оставалось мало, но там уже были другие организмы, которые умудрялись использовать даже то, что есть, для того, чтобы бурно эволюционировать. Ну и все-таки его стало побольше, а вот пока кислорода оставалось предел где-то... Есть у палеонтологов геологов такое выражение – проценты по отношению к современному уровню кислорода, то есть 2% по отношению к современному уровню кислорода – это не значит, что 2% в атмосфере, а это означает, что всего-навсего каких-то 0,02 % кислорода в атмосфере и в мировом океане. В принципе этого для кого-то достаточно, но для развития нормальных эукариот, такого быстрого, недостаточно. Поэтому все шло очень замедленно.
Первые "вразумительные" эукариоты, то есть настоящие клеточные организмы, конечно, водоросли были скорее всего, зеленые водоросли появились только около полутора миллиардов лет назад, а такие менее очевидные около 1 млрд - 800 млн лет назад, но до сих пор непонятно, настоящие ли это эукариоты или же нет.
- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
Продолжение смотрите в видео!
Мой канал: https://www.youtube.com/@bioscience7538/featured
Моя группа ВКонтакте: https://vk.com/paleograpt
Пописывайтесь, ставьте лайки, комментируйте!