Теги → учёные
Быстрый переход

Лазер поможет напечатать трёхмерные микро- и нано-структуры

Исследователи из института Karlsruhe Institute of Technology (KIT) и компании Carl Zeiss AG разработали технологию печати трёхмерных микро- и нано-объектов с помощью лазерной проекции. Но не только это. Технология предусматривает попеременное использование в процессе печати материалов с различными свойствами, что открывает перед ней двери в массу областей практического применения. Это может быть печать многоцветных и флюоресцирующих защитных меток на ценные бумаги и упаковку товаров для защиты от подделок, как и создание структур для фотонной электроники.

Frederik Mayer, INT/KIT

Frederik Mayer, INT/KIT

Печать осуществляется в специальной камере с защитным стеклом в верхней её части. Прозрачное окно для позиционирования лазерного луча имеет диаметр всего 10 мм. Хитрость в том, что в камеру под давлением по команде компьютера подаётся жидкий фоторезист с требуемыми свойствами. Фоторезист, в свою очередь, в силу своих жидких свойств заполняет решётки в микро- или нано-каркасе. Управляемый компьютером лазерный луч фокусируется на тех ячейках, которые должны затвердеть. Остальной фоторезист вымывается и так слой за слоем, пока не будет обработан весь решётчатый каркас. Затем происходит окончательная промывка и закрепление рисунка.

Для пространственной печати учёные уже создали несколько жидких фоторезистов с требуемыми свойствами. Это несветящаяся жидкость для подложки (фона), два фоторезиста с различными флюоресцирующими квантовыми точками, два фоторезиста с двумя разными флюоресцирующими красками и две жидкости для закрепления рисунка. Представленные жидкости ориентированы на создание защитных решений для банкнот и ценных бумаг. Для трёхмерной лазерной печати использовалось оборудование компании Nanoscribe GmbH. Эта компания вышла из стен института KIT и готова продолжить коммерциализацию разработки на новом уровне.

Учёные создали робота-муравья с полностью автономной навигацией без GPS

Природа снова выступила учителем для человека пытливого. Группа учёных из французского исследовательского центра French National Center for Scientific Research (CNRS) и Университета Экс-Марсель (Aix-Marseille University) скопировала систему навигации у пустынного муравья фаэтончик красный (Cataglyphis desert ants). Это насекомое длиной около одного сантиметра прекрасно ориентируется в пустыне, где ландшафт не отличается постоянством, а высокая температура не позволяет муравьям искать гнездо и маршруты по запаху (феромонам). Вместо этого пустынные муравьи научились прокладывать маршрут с учётом положения солнца и с помощью отсчёта шагов в каждом направлении, которое они совершают.

ix Marseille University/CNRS/ISM

ix Marseille University/CNRS/ISM

В голове муравья постоянно происходят расчёты, погрешность которых настолько мала, что муравей может пробежать запутанный маршрут свыше 600 метров и потом быстро по прямой вернуться к гнезду. Глаза и память на зрительные образы дают возможность окончательно сориентироваться вблизи искомой позиции, так что сверхвысокая точность не нужна. Пасмурное небо и отсутствие солнца для муравья не помеха. В его глазах находятся чувствительные к поляризованному ультрафиолетовому излучению образования, которые позволяют определить положение солнца даже в пасмурный день.

A) маршрут муравья около 600 м, B) маршрут робота длиной свыше 10 м (Aix Marseille University/CNRS/ISM)

A) маршрут муравья длиной около 600 м, B) маршрут робота длиной свыше 10 м (Aix Marseille University/CNRS/ISM)

Воссозданный робот-муравей диаметром 45 см и весом 2,3 кг был испытан на дистанции чуть больше 10 метров. После маршрута с несколькими сменами направления робот по кратчайшему расстоянию вернулся в точку старта с точностью 2 см. Погрешность определения положения солнца при лёгкой облачности была всего 0,02 градуса, при полной облачности погрешность составляла в среднем 0,59 градусов. Скорость перемещения машины составила 10 см/с. Если аппроксимировать робота до масштабов муравья, то его система навигации позволит роботу преодолеть дистанцию до 32 км со скоростью 90 см/с, но для этого, признаются учёные, необходимо другие источники питания и доработка ходовой части. Также остаётся проблема навигации под лесным покровом, когда листья и ветви поглотят ультрафиолет и не позволят роботу сверяться с положением солнца. Предстоит ещё много исследований, но перспектива у подобной системы навигации, безусловно, есть.

Германия ищет «возобновляемое» топливо для двигателей внутреннего сгорания

На базе Технологического института Карлсруэ (Karlsruhe Institute of Technology, KIT) стартует проект поиска возобновляемого топлива для двигателей внутреннего сгорания. Программа исследований будет работать под патронажем правительства Германии и с участием добывающих и перерабатывающих компаний, в частности, с привлечением немецкой перерабатывающей компании MiRO (Mineraloelraffinerie Oberrhein). Название проекта говорящее ― reFuels или Re-thinking Fuels. Переосмысленное топливо.

В объективе переосмысленное топливо на фоне Министра трансопрта Герамнии (по центру) Винфрида Германна (Markus Breig, KIT)

В объективе переосмысленное топливо на фоне Министра транспорта Германии (по центру) Винфрида Германна (Markus Breig, KIT)

В правительстве Германии понимают, что на одних электрокарах далеко не уедешь. Существуют проблемы как с ёмкостью аккумуляторов электромобилей, что ограничивает пробег и влечёт за собой длительную зарядку для следующего пробега, так и проблемы с выработкой электроэнергии для растущего парка электромобилей. В то же время есть устойчивое понимание вреда, которое несёт экологии и человеку дальнейшее использование ископаемого топлива с массивными выбросами диоксида углерода в атмосферу. Так, в Германии личный и общественный транспорт с двигателями внутреннего сгорания вносит до 20 % в выбросы CO2 в стране. Проект reFuels призван найти компромисс между снижением вредных выбросов в процессе сгорания топлива и продолжением использования двигателей внутреннего сгорания.

На базе института KIT будут исследоваться две стратегии по получению возобновляемого экологически чистого топлива. Во-первых, это пилотная биожидкостная (bioliq) линия на базе института по получению высококачественного топлива из биологически чистых материалов и отходов, например, таких как солома. Во-вторых, кластер Energy Lab 2.0 ― исследовательские площадки по всему миру, на которых проводятся испытания технологий и процессов для получения и использования электрической, термальной и химической энергии. На этих площадках с помощью газовых турбин, получения энергии из метана и электролиза воды учёные производят экологически чистые компоненты для изготовления дизельного топлива и топлива для реактивных двигателей. Совместными усилиями властей и учёных когда-нибудь удастся найти доступную по себестоимости альтернативу бензину из нефти. И чем быстрее это произойдёт, тем будет лучше.

Учёные вплотную занялись «рецептурой» перовскитов для солнечной энергетики

Перовскиты ― это довольно широкая категория соединений с определённой кристаллической структурой. Предполагается, что в перовскитах скрыт большой потенциал для развития солнечной энергетики. Они дешевле кремниевых ячеек и проще в производстве. Например, если кремниевая подложка подвергается отжигу при температуре 1400 °C, то перовскиты создаются в жидких растворах с температурой от 100 °C. Кроме того, состав из перовскитов можно наносить на гибкую подложку и они могут быть прозрачными или цветными, что интересно с декоративной точки зрения.

Солнечная ячейка из перовскита (MIT)

Солнечная ячейка из перовскита (MIT)

При всей заманчивости использовать перовскиты в промышленности, учёные до сих пор не имеют перед собой ясной картины физических и химических процессов внутри этих структур. Более того, перовскиты содержат три структурных компонента, каждый из которых можно менять в широком спектре материалов, что позволяет получать на выходе кристаллические структуры с таким же и даже большим спектром свойств и возможностей. От чего же отталкиваться?

Группа учёных из Массачусетского технологического института, Калифорнийского университета в Сан-Диего и из некоторых других институтов взяла за основу недавнее открытие швейцарской школы École Polytechnique Fédérale de Lausanne. Было обнаружено, что добавка в смесь для приготовления перовскитов определённых щелочных металлов повышает КПД солнечной ячейки с 19 % до 22 %. На основе этого опыта в MIT было найдено такое соотношение из добавок типа цезия или рубидия, которое повышает теоретический предел эффективности солнечных ячеек из перовскита до 31 %.

MIT

MIT

При этом учёные продолжают настаивать, что механизм взаимодействия материалов внутри перовскитов остаётся далеко непонятным. Следование путём проб и ошибок позволяет подобрать более-менее подходящий «рецепт» для разработки материала с наилучшими свойствами для, скажем, преобразования света в электричество. Однако это не даёт понять глубинные механизмы работы перовскитов для их наилучшего использования и, следовательно, отдаляет успешную коммерциализацию, над чем ещё работать и работать. И всё же, как минимум две компании сейчас устанавливают производственные линии для выпуска перовскитов в промышленных масштабах. Ожидается, что запуск перовскитов в массовое производство состоится уже в следующем году.

В Беркли разрабатывают роботов-насекомых с двигателями на ионной тяге

У Природы много интересных изобретений, которые человеку не стыдно скопировать и использовать в повседневной жизни. Миллионы лет эволюции сотворили чудо из всего, что нас окружает. Часть из этого опыта человек пытается привнести в мир роботизированной техники, например, считая его ценным для создания летающих роботов-насекомых. Как следствие, появляются роботы-стрекозы или роботы-пчёлы. Однако сложность масштабирования маховых механизмов и, как следствие, снижение управляемости заставляет искать иные неприродные источники подъёмной силы для миниатюрных летательных аппаратов.

UC Berkeley

UC Berkeley

Учёные из Калифорнийского университета в Беркли предложили использовать для роботов масштаба насекомых ионную тягу. Принцип работы таких ионных двигателей заключается в том, что с электродов под очень высоким напряжением положительно заряжённые ионы (преимущественно азота) устремляются к решётке с противоположным зарядом. По пути ионы вовлекают в процесс нейтральные молекулы из воздушной среды, которые пролетают сквозь решётку и создают тягу. Такие двигатели бесшумные и способны поднять определённый полезный вес, но, к сожалению, требуют значительных запасов энергии.

UC Berkeley

UC Berkeley

В лаборатории университета создали летающий прототип платформы на ионном двигателе. Размеры сторон робота составляют 2 см при весе конструкции 30 мг. Ещё 36 мг весит контроллер питания испускающих электродов. Напряжение на электродах достигает 2000 В, хотя сила тока всего 3,5 мА. К опытной платформе подводятся 7 проводов, по которым осуществляется питание и управление. Принцип управления прост ― в необходимой последовательности отключается один из четырёх массивов электродов, после чего происходит наклон и перемещение в нужную сторону.

В дальнейшем учёные планируют усовершенствовать платформу до полной автономности управления, за исключением питания. В обозримом будущем никто из них не ждёт появления достаточно мощных, ёмких и миниатюрных автономных источников питания, чтобы разместить их непосредственно на платформе. Но управление можно будет отдать роботу, для чего планируется создать специальный контроллер и оснастить робота оптическими и другими датчиками.

Японцы повышают эффективность добычи электричества из вибраций

Для питания носимой электроники и множества датчиков наравне с добычей электричества из света, радиоволн и тепла изучается вопрос получения энергии из вибраций. Вокруг нас вибрирует и трясётся практически всё. Амплитуда раскачки высотных зданий, например, может достигать многих десятков сантиметров. Было бы заманчиво использовать вибрации ― это практически вечная бесплатная энергия для питания маломощной электроники.

Пример электростатического генератора электрчества

Пример электростатического генератора электричества

В процессе добычи электроэнергии из вибраций используются электромагнитные, электростатические и пьезоэлектрические принципы преобразования колебаний в ток. Две группы японских учёных из Токийского технологического института и Токийского университета решили усовершенствовать идеальный для широкого спектра низкочастотных вибраций электростатический метод. В частности, учёные предложили новый подход для электростатической добычи электроэнергии с помощью микроэлектромеханических схем MEMS.

До сих пор преобразователь вибраций в электричество строился на основе интеграции в MEMS электрета ― постоянно заряженного диэлектрика. Вибрации заставляли электрод на подпружиненном контакте перемещаться вдоль заряженного электрета, что вело к возбуждению электрического тока. Фактически электрод с пружиной представляет собой переменную ёмкость (конденсатор), а электрет ― постоянную. Поэтому сила генерируемого тока и напряжение зависят не только от амплитуды и частоты колебаний, а также от величин ёмкости переменного конденсатора и электрета. К сожалению, подобная схема не позволяет в значительной степени манипулировать ёмкостью электрета, поскольку он ограничен размерами чипа MEMS.

Улучшенный вариант электростатического MEMS-генератора (Tokyo Institute of Technology and the University of Tokyo)

Улучшенный вариант электростатического MEMS-генератора (Tokyo Institute of Technology and the University of Tokyo)

Японские учёные предложили усовершенствовать генератор, для чего вынесли электрет за пределы MEMS. Это очевидное, но непростое решение. В такой схеме повышается паразитная ёмкость за счёт разного рода прослоек, в том числе ― воздушных. Снизить потери удалось за счёт послойного (в виде бутерброда) изготовления двух чипов: MEMS и электретного. На очереди испытания и доработка конструкции, как и её составных частей. До коммерческого воплощения разработки пройдут годы, сообщают учёные, но когда-нибудь мелкая электроника сможет обойтись без батареек.

Корейцы создали гибкий и полупрозрачный светодиод из перовскита

В последние годы среди учёных набирает популярность исследование свойств и поиск прикладных свойств перовскитов ― минералов титаната кальция, впервые найденных на Урале около 180 лет назад. Дальше всего зашли разработчики солнечных панелей (фотоэлементов) из перовскита. Использование напыления из этого материала позволяет создавать искривлённые и полупрозрачные панели с КПД заметно большим, чем у обычного кремния. Но перовскиты при определённых условиях могут также излучать фотоны. Именно сочетание светоизлучающих свойств этого материала с гибкостью и частичной прозрачностью позволило корейским учёным создать гибкий и полупрозрачный светодиод из перовскита.

Испытание светодиода из перовскита на изгиб (UNIST)

Испытание светодиода из перовскита на изгиб (UNIST)

Группа учёных из южнокорейского Национального института науки и технологий Ульсана (UNIST) представила светодиод на основе перовскита. Также разработчики создали методологию и инструменты для изучения надёжности светодиодов на изгиб. Опытная разработка без разрушений выдерживает многократный изгиб радиусом до 2,5 мм. Это позволяет надеяться на создание складывающихся дисплеев на экранах с использованием PeLED (Perovskite Light Emitting Diode), если таковые когда-нибудь появятся.

Испытание светодиода из перовскита на скручивание (UNIST)

Испытание светодиода из перовскита на скручивание (UNIST)

Опытный светодиод из перовскита обладает хорошей мощностью, яркостью и чистым цветовым спектром. Его прозрачность составляет 50 %. Чтобы все компоненты светодиода были полупрозрачными, пришлось отказаться от токопроводящих дорожек из металла, которые заменили нанодорожками из серебра. Кстати, светодиод из перовскита продолжал ярко светится как во время изгибов поперёк плоскости, так и при закручивании в спираль. В дальнейшем учёные планируют изучить надёжность перовскитов в качестве светодиодов в виде тонкоплёночных структур. Этот материал быстро деградирует на открытом воздухе (при взаимодействии с кислородом) и в процессе увлажнения. Эксперименты должны прояснить перспективность использования этого материала для производства LED.

Вертикальные транзисторы многократно улучшат разрешение MicroLED

Интерес к виртуальной и дополненной реальности стимулирует разработчиков совершенствовать технологии производства дисплеев MicroLED. С одной стороны, производство MicroLED ограничено в объёмах технологией выпуска на кремниевых пластинах (очень жаль, что 450-мм пластины так и не стали действительностью). С другой стороны, производство на стеклянных подложках (LCD или OLED) ограничивает размер пикселя на экране габаритами управляющих тонкоплёночных транзисторов под светодиодом или ячейкой с жидкими кристаллами. Но даже в современной реализации разрешение MicroLED оставляет желать лучшего.

Пример производства (https://www.researchgate.net)

Пример производства MicroLED (https://www.researchgate.net)

Группа учёных из Рочестерского технологического института (Rochester Institute of Technology) предложила для дисплеев MicroLED новую структуру ― вертикальные нанопроводные транзисторы. Как и другие современные MicroLED, транзисторы выращиваются на слое нитрида галлия на кремниевой подложке. Только вместо создания горизонтальных (планарных) транзисторных структур разработана технология выращивания вертикальных транзисторов в виде нанопроводов. По сути ― это те же GaN биполярные транзисторы со статической индукцией (SIT, Static Induction Transistor), что и раньше, только выращенные вверх, а не в сторону.

Планарный транзистор много больше по размерам, чем пиксель-LED

Планарный транзистор много больше по размерам, чем пиксель-LED

Это означает, что нанопроводной транзистор можно полностью спрятать под пиксель, точнее ― под светодиод, которым он управляет. Тем самым пиксели (светодиоды) можно будет расположить максимально плотно и даже уменьшить их размеры. Насколько? Если сравнивать с экранами OLED современных Apple iPhone X, заявляют разработчики, то размеры пикселя можно уменьшить в 1500 раз. Фантастика! Впрочем, у курса на снижение размера пикселя в MicroLED есть и другие препятствия, которые всё ещё предстоит обойти.

Эксперименты с нанопроводными вертикальными GaN-транзисторами и светодиодами показали, что решение имеет в два раза лучшую энергоэффективность, чем тонкоплёночные транзисторы. При этом яркость новых структур намного выше, а соотношение токов открытия/закрытия лучше в 900 раз, если сравнивать с обычными вертикальными транзисторами SIT. Есть только одна проблема. Новые транзисторные структуры постоянно открытые, а для закрытия (переключения) требуются отрицательные значения напряжений. Это определённо усложнит контроллеры таких дисплеев.

Изображение вертикальной нанопроводной структуры (фотография разработчика Matthew Hartensveld)

Изображение вертикальной нанопроводной структуры (фотография разработчика Matthew Hartensveld)

Также следует учитывать определённую сложность техпроцесса по выращиванию вертикальных нанопроводных структур. Иначе говоря ― это будет более затратный процесс, чем обычно. Но это не означает, что на данной технологии надо поставить крест. Её будут развивать и, возможно, когда-нибудь она станет реальностью. К слову, GaN-транзисторы и светодиоды оптически прозрачные, что будет кстати для гарнитур с дополненной реальностью.

Корейские учёные преобразуют тепло тела в электричество для гаджетов

Два южнокорейских исследовательских института ― Научно-исследовательский институт электроники и телекоммуникаций (ETRI) и Технологический и научный институт Кореи (KIST) ― создали передовой термоэлектрический элемент для преобразования тепла человеческого тела в электричество. Разработка ведётся с 2017 года, но о завершении финальной стадии экспериментов сообщали только 15 января 2019 года.

ETRI

ETRI

Это не первая попытка добывать электричество с помощью разницы температуры тела и окружающего воздуха. Ранее максимально эффективный термоэлемент для подобных целей создали американские учёные с возможностью добывать около 20 мкВт с каждого квадратного сантиметра термоэлемента. Разработка корейских учёных добывает с каждого сантиметра термоэлемента в полтора раза больше ― около 35 мкВт.

ETRI

ETRI

Размеры опытного термоэлемента составляют 5 × 11 см. Два таких элемента могут вырабатывать до 3 мВт энергии. Дополняющая термоэлемент схема управления обеспечивает эффективность преобразования до 80 %. В демонстрационном опыте от двух термоэлементов на руке учёного удалось запитать группу светодиодных индикаторов. Разработку уже сейчас можно запускать в коммерческое производство, но учёные предлагают подождать два или три года, за которые они обещают ещё сильнее повысить энергоэффективность термоэлементов.

ETRI

ETRI

Подобные источники питания, которые не требуют батарей, будут очень кстати для носимых медицинских датчиков и для вещей с подключением к Интернету. Умная одежда и городская инфраструктура будут нуждаться в источниках питания, которые в идеальном случае никогда не потребуется менять. Добывающие энергию из вибраций, радиоизлучения, света или тепла элементы станут тем, что позволит качественно изменить как жизнь человека, так и представление о контроле над его окружением.

Каждому электробайку — быструю зарядку и правильный электромотор

Специалисты из научного подразделения ETI (Institute of Electrical Engineering) Технологического института Карлсруэ (Karlsruhe Institute of Technology, KIT) взялись подтолкнуть индустрию к решению проблемы неэффективной материальной части велосипедов на электрической тяге — электробайков (E-Bikes). Как считают в ETI, существующие педально-электрические транспортные средства (pedelec) собираются из тех комплектующих, которые есть в доступности, а не из тех, которые специально проектируются для установки на велосипеды. Как результат, эффективность работы электродвигателя на электровелосипеде редко поднимается выше 70 %, а расход батарей предельно высокий и не по нагрузке.

Сенд для оценки эффективности ходовой части электробайков (KIT)

Стенд для оценки эффективности ходовой части электробайков (KIT)

В области производства электромобилей, напротив, производители смогли добиться эффективности работы электродвигателей на уровне 90 %. Этот опыт, уверены в ETI, можно и нужно транслировать в опыт по целенаправленной разработке двигателей для электробайков. Более того, учёные создали испытательный стенд для велосипедов с электрическим приводом, как это принято в автопроме. На таком стенде велосипед с мотором пройдёт обкатку во всех возможных режимах, и будут получены данные для правильной оценки ходовой и двигательной частей на любой скорости.

Также учёные рекомендуют не останавливаться на одних лишь двигателях. Для электробайков необходимо разрабатывать и выпускать специальные сцепления, свои батареи и другое, без чего невозможно добиться эффективности работы транспортного средства. Все необходимые наработки, уверены учёные, есть у специалистов по «большим моторам» в автопроизводстве. Опыт и представленный ETI стенд сделают всё необходимое для улучшения эффективности электробайков.

Кстати, для велосипедов с электродвигателями необходим стандарт для быстрой зарядки аккумуляторов. Батареи электробайка должны заряжаться за полчаса до заранее установленного объёма, пока, например, владелец посещает магазин или заведение общепита.

DARPA возьмёт на работу ИИ для создания молекул боевого назначения

На сайте агентства DARPA (The Defense Advanced Research Projects Agency, Defense ARPA) появилось сообщение о запуске новой программы Accelerated Molecular Discovery (AMD). Программа по ускорению открытия новых молекул направлена на военные цели, что, впрочем, не исключает мирного применения разработок, если таковые будут предложены.

DARPA

DARPA

По представлению учёных, вселенная молекул насчитывает 1060 комбинаций. Из этого фактически бесконечного множества человечеством открыто и исследовано только 140 млн молекул. Среди неоткрытых молекул наверняка скрываются такие, которые способны укрепить оборонную и наступательную мощь США. Проблема только в том, что каждое новое открытие молекул до сих пор — это интуитивный путь движения учёных с длительными повторяющимися экспериментами, а военным надо быстро и чётко. Дан приказ — немедленно выполнить и доложить!

К счастью, на подхвате оказался поднимающий голову искусственный интеллект. Программа AMD (не путать с одноимённой компанией) предполагает конкурс решений на базе ИИ для создания молекул по представленному набору требований. Это могут быть молекулы для безопасного моделирования боевых химических агентов, для медицины, для покрытий, для красок, для эффективного топлива и многое другое, что придёт на ум пытливому военному разуму.

Платформы ИИ для поиска новых молекул должны уметь извлекать информацию из баз данных и из текстов и создавать инструменты и физически обоснованные руководства для производства молекул с заранее заданными характеристиками. Вебинар с разъяснениями программы DARPA AMD запланирован на 18 октября. Кроме этого, агентство ждёт талантливых химиков и коллективы для работы над увлекательными проектами.

Предложен новый вариант одноатомного транзистора

Транзисторы размером с один атом остаются неблизким, но неизбежным рубежом, после которого невозможно будет развивать данный тип электронных приборов. Исследователи давно изучают данный рубеж, чтобы понять насколько близко и как скором мы сможем к нему приблизиться. Очередной экспериментальный одноатомный транзистор создали в Технологическом институте Карлсруэ (Karlsruhe Institute of Technology, KIT). Разработка стала продолжением серии экспериментов по созданию одноатомного транзистора в жидком электролите. Новая структура создана в твёрдом электролите и может считаться уникальной.

экспериментальный одноатомный транзистор разработки Технологического института Карлсруэ (KIT)

Экспериментальный одноатомный транзистор разработки Технологического института Карлсруэ (KIT)


Отмечается, что предложенный в KIT транзистор может стать основой квантовых вычислительных систем. При этом он работает при комнатной температуре, а не с охлаждением до −273 °C, как современные квантовые коммутаторы. Но даже для традиционной вычислительной и другой электроники разработка сулит немыслимое — снижение потребления для транзисторов более чем в 10 000 раз.

Высокая энергоэффективность предложенной транзисторной структуры достигнута также за счёт того, что разработчики отказались от полупроводников в пользу исключительно металлов. Транзистор представляет собой два металлических контакта с зазором между ними в один атом. В зазоре находится твёрдый электролит, полученный из жидкого состояния путём высокотемпературного воздействия. С помощью импульса тока, приложенного к контактам, в зазор вводится атом серебра, который замыкает цепь (транзистор переходит в открытое состояние). Обратный импульс выводит атом серебра из зазора, размыкая цепь и запирая транзистор.

Современная электроника и вычислительные мощности во всём мире потребляют около 10 % вырабатываемой электростанциями электроэнергии. В этом свете вопрос снижения потребления транзисторов крайне актуален, уверены в институте. Может так статься, что именно эта разработка окажется востребованной отраслью и приблизит создание электроники с никогда не разряжающейся батарейкой.

Ни гелия, ни воздуха: вакуум поможет на треть увеличить ёмкость жёстких дисков

На недавней конференции 2018 IEEE TMRC Conference сообщество разработчиков технологий записи на магнитные носители и производителей жёстких дисков рассмотрело ряд идей, которые могут помочь в наращивании ёмкости накопителей на магнитных пластинах.

Одним из самых горячо обсуждаемых вопросов была тема влияния газовой среды в блоке с магнитными пластинами на ёмкость жёстких дисков. Компания Western Digital на практических примерах доказала, что замена воздуха на гелий в блоке с пластинами однозначно улучшила динамику наращивания ёмкостей HDD. Пойти ещё дальше — вовсе отказаться от воздуха, гелия или иной газовой среды и создать вокруг пластин и головок вакуум — предложил стартап L2.

Фото Tom Coughlin, 2018 IEEE TMRC

Фото Tom Coughlin, 2018 IEEE TMRC

По мнению разработчиков из L2, полная откачка газа из блока с пластинами поможет упростить производство жёстких дисков за счёт отказа от смазки поверхности носителей и головок, а также за счёт отказа от специального углеродного защитного покрытия всех поверхностей в месте возможного касания. Но главное — переход на вакуум позволит уменьшить расстояние между головками и магнитными пластинами, за счёт чего можно будет увеличить плотность размещения дорожек.

В конечном итоге зазор между головками и пластинами может быть снижен до 3 или 4 нм. При этом в вакууме появляется возможность активного управления зазором. Всё это позволит увеличить ёмкость HDD на величину до 35 % для обычной перпендикулярной записи. Это отличный резерв для наращивания ёмкостей жёстких дисков для всех современных и новых технологий, включая перспективные HAMR (с нагревом) и MAMR (с микроволновым излучением).

Доказана возможность уплотнить запись на жёстких дисках до размеров одного атома

Физики из федеральной политехнической школы Лозанны (EPFL), расположенной в Швейцарии, опубликовали исследования, в которых доказана возможность уплотнить запись на жёстких дисках или магнитных лентах до размеров одного атома. Это открывает небывалые перспективы перед «классическими» накопителями. Увы, твердотельная память и SSD не могут справиться с тем растущим потоком данных, который необходимо хранить каждый день. По самым скромным оценкам, ежедневный прирост информации приближается к 15 млн гигабайт. Запись информации на уровне одиночного атома стала бы настоящей находкой, с возможностью радикально увеличить плотность размещения информации на магнитных носителях.

Слева изображение со сканирующего туннельного микроскопа, справа вспомогательные атомы кобальта на подложке их оксида марганца (EPFL)

Слева изображение со сканирующего туннельного микроскопа (одноатомный гольмиевый магнит), справа вспомогательные атомы кобальта на подложке из оксида магния (EPFL)

Активнее других разработками на направлении одноатомной записи занимаются физики из Лозанны. На базе лабораторий EPFL ведутся фундаментальные исследования, которые подтверждают, что одноатомная запись больше не является фантастикой. Впрочем, до реального использования она тоже далека. Основной проблемой записи на уровне одиночного атома остаётся остаточная намагниченность. Из-за неё остаётся большая вероятность изменения направления магнитного поля атома под воздействием случайного внешнего поля или в случае температурных скачков. Физики доказали, что существуют материалы и состояния, когда магнитное поле одиночных атомов остаётся стабильным. Иначе говоря, данные после записи не теряются.

В ходе эксперимента использовалась подложка из оксида магния, которая абсорбировала в себя пары из атомов гольмия и вспомогательных атомов кобальта. «Битами» выступали атомы гольмия. С помощью наблюдения через сканирующий туннельный микроскоп учёные убедились, что сильное магнитное поле, как и нагрев не привели к потере «информации» — не изменили намагниченность атомов гольмия. Тем самым на практике подтверждена бистабильность одноатомной записи. По мнению учёных, это может стать последним элементом головоломки для дальнейшей коммерциализации одноатомной записи.

Доказательство бистабильности атомов гольмия (EPFL)

Доказательство бистабильности атомов гольмия (EPFL)

Добавим, что эксперимент выявил способность атомов гольмия оставаться стабильными во внешнем магнитном поле силой, превышающей 8 тесла. С нагревом сложнее. Для записи и считывания данных на уровне одного атома необходимо опираться на квантовые механизмы. Это предполагает экстремально низкие температуры. Намагниченность атомов гольмия оставалась стабильной до температуры 35 К, но уже при нагреве до 45 К (–233,15 °C) атомы начинали спонтанно менять намагниченность в соответствии с направлением внешнего магнитного поля. На следующем этапе учёные намерены решить три ключевых вопроса по одноатомной записи: стабильность, запись и сигнально-шумовые характеристики процессов.

Сделан шаг к памяти будущего: воспроизведён магнитный вихрь (скирмион) размерами 13 нм

Скирмионы или мельчайшие магнитные вихревые структуры, направление магнитной оси индивидуальных атомов в которых меняется по мере удаления от центра вплоть до полной противоположности, интересуют учёных не первый год. Скирмион как устойчивая структура может служить единицей для записи данных на магнитном носителе. Главная особенность скирмиона заключается в возможности воспроизвести его в магнитном материале с меньшими энергетическими затратами, чем в случае изменения намагниченности обычного домена на магнитном носителе жёсткого диска. Происходит это благодаря тому, что векторы атомов в магнитном вихре уже частично и даже полностью развёрнуты в нужную сторону, тогда как в обычном случае приходится менять направление намагниченности на полностью противоположное.

Условное изображение магнитнго вихря, известного как скирмион (Nanoscale / Royal Society of Chemistry)

Условное изображение магнитного вихря, известного как скирмион (Nanoscale / Royal Society of Chemistry)

Очевидно, что подобные качества скирмионов заставляют задуматься об использовании мельчайших магнитных вихрей в качестве основы для памяти будущего. Остаётся решить вопросы масштабирования, подобрать материалы и создать условия для формирования устойчивых вихревых структур при комнатных температурах. Что-то из этого решено, пусть частично, что-то требуется решить. Так, учёные из Университета Небраски-Линкольна (University of Nebraska–Lincoln) смогли закрутить магнитную спираль скирмиона диаметром всего 13 нм. До этого рекордом считался 50-нм скирмион, и дальше дело не шло. Материалом, на котором создан мельчайший магнитный вихрь, остаётся моносилицид марганца (MnSi). Температура, при котором скирмион оставался стабильным, составила −230 °C.

Трековая память в представлении IBM

Трековая память в представлении IBM

Интересным явлением также считается возможность перемещения скирмион с помощью электрических имульсов. Это открывает путь к так называемой трековой памяти, когда данные хранятся и считываются с наномасштабных нитей. В магнитной нити или треке электрический ток способен передавать вихревое состояние (скирмион) от одной группы атомов к другой. Это очевидным образом открывает возможность создания магнитных носителей без механически движущихся частей. Иначе говоря, с высочайшей и недоступной механическим конструкциям надёжностью. Перспективной, например, считается разработка треков шириной около 20 нм. Опыты группы учёных из Университета Небраски-Линкольна приближают создание подобных систем хранения данных.

window-new
Soft
Hard
Тренды 🔥