Архив
Фотодетектор из черного кремния показал «невозможное» рекордное КПД в 132%
Август, 2020
Ученые из Финляндии придумали, как одной частицей света выбить из фотогальванического материала больше одного электрона. Это, казалось бы, невозможное достижение стало реальным благодаря уникальной структуре черного кремния. Открытие может применяться в производстве солнечных элементов и других фотодетекторов.
В теории, если у гипотетического фотогальванического устройства внешняя квантовая эффективность равна 100%, это значит, что каждый фотон, попадающий на него, вырабатывает один электрон, который превращается в электричество.
Ученые из Университета Аальто создали фотодетектор, КПД которого превосходит 100% — с каждого фотона он получает в среднем 1,32 электрона. Создан он из черного кремния, активного материала, абсорбирующего ультрафиолетовый свет благодаря своей наноструктуре из колонн и конусов.
Казалось бы, такое невозможно, ведь законы физики утверждают, что энергия не может взяться из ниоткуда. Ответ в устройстве фотогальванических материалов. Когда фотон света сталкивается с активным материалом — обычно с кремнием — он выбивает электрон в одном из его атомов. Но в определенных обстоятельствах один высокоэнергетический фотон может выбить два электрона, не нарушая никаких правил.
Производительность обычных фотогальванических материалов снижается по ряду причин, например, потому что фотоны отражаются от устройства или электроны рекомбинируются с дырками, которые они оставляют в атомах, и не попадают в цепь.
Но команда финских ученых по большей части справилась с этими трудностями. Черный кремний абсорбирует намного больше фотонов, чем другие материалы, а конус и колонны его структуры сокращают рекомбинацию электронов на поверхности, пишет New Atlas. https://newatlas.com/energy/black-silicon-photodetector-130-percent-efficiency/
Производительность устройства была подтверждена независимой коллегией ученых из Физико-технического федерального института Германии. Технология позволяет улучшить КПД практически любого фотодетектора, в том числе, солнечных элементов или других фотосенсоров. Коммерческое производство рекордных фотодетекторов уже началось.
Подробнее – https://hightech.plus/2020/08/17/fotodetektor-iz-chernogo-kremniya-pokazal-nevozmozhnoe-rekordnoe-kpd-v-132
Когерентность спиновых кубитов увеличили в 10 тысяч раз
Август, 2020
Физики из США и Японии увеличили время когерентности твердотельных спиновых кубитов до десятков миллисекунд, что на четыре порядка больше, чем в предыдущих спиновых системах. Работа опубликована в журнале Science. https://science.sciencemag.org/content/early/2020/08/12/science.abc5186
Квантовые компьютеры способны превзойти классические вычислительные устройства во многих задачах, от симуляций сложных биологических систем до разложения больших чисел на простые множители. Элементарные объекты в квантовым компьютере (кубиты) представляют собой микроскопические и очень хрупкие системы. Например, в твердотельной реализации квантового устройства в качестве кубитов выступают спины.
Основная характеристика кубитов — это время когерентности, которое определяет сколько живет квантовое состояние. В спиновых системах время когерентности достигает нескольких микросекунд, что, к сожалению, не достаточно чтобы провести большие и интересные вычисления.
Группа ученых из США и Японии под руководством профессора Дэвида Авшалома (David D. Awschalom) разработала метод сохранения когерентности спиновых кубитов до десятков миллисекунд, что в 10000 раз больше предыдущих экспериментов.
Подробнее - https://nplus1.ru/news/2020/08/15/record-coherence-in-spin-qubits
Физики создали тест на спин-долинные полуметаллы
Август, 2020
Российские исследователи создали тест, который позволил проверить, является ли материал спин-долинным полуметаллом. Такие соединения могут использоваться в электронике будущего и вживляемой биоэлектронике. Статья ученых опубликована в журнале Physical Review B. https://journals.aps.org/prb/abstract/10.1103/PhysRevB.101.235141
Сегодня перед электроникой стоят новые вызовы: человечеству необходимо хранить больше данных и обрабатывать их все быстрее. При этом традиционная электроника уже исчерпывает свои ресурсы и не позволяет достаточно повысить скорость передачи данных и объем памяти. Поэтому исследователи со всего мира стараются создать альтернативные виды электроники. В таких устройствах информация будет обрабатываться быстро, а сами они будут маленькими и безопасными даже для вживления в человеческое тело.
Но чтобы создать новые виды электронных устройств, необходимы принципиально иные материалы. Одним из перспективных классов считаются спин-долинные полуметаллы. Физики ожидают, что эти соединения смогут пропускать поляризованный ток, который несет дополнительную информацию, закодированную в спине и долинном индексе. Это позволит переносить в разы больше данных за единицу времени, чем способны традиционные подходы. Также эти материалы не опасны для человека в отличие от уже известных полуметаллов. Это значит, что спин-долинные полуметаллы можно использовать во вживляемой биоэлектронике.
Подробнее - https://indicator.ru/physics/test-na-spin-dolinnye-polumetally-14-08-2020.htm
Новые батареи увеличат запас хода машин Tesla на 280 километров
Август, 2020
Джефф Дан, ведущий партнер Tesla по исследованиям аккумуляторов из Университета Дэлхаузи, опубликовал обновленную информацию об элементах питания с увеличенной плотностью энергии. По словам инженера, безанодные батареи, разработанные с помощью новой методики, отлично подойдут не только для электромобилей, но для городской авиации.
Как сообщает Electrek, в новом техническом документе в очередной раз подчеркивается большой потенциал литий-металлических аккумуляторов с жидким электролитом и описываются перспективы использования этих батарей. https://electrek.co/2020/08/13/tesla-battery-enabling-electric-aircraft/
«Такая высокая плотность энергии может увеличить запас хода электромобилей примерно на 280 километров или даже позволит полностью электрифицировать городскую авиацию», — заявил Дан.
Другими словами, новая батарея способна увеличить пробег самой дальнобойной Tesla Model S Long Range Plus с 647 км до 927 км, или на 43%. А пробег Tesla Model 3 Long Range — с 500 км до 780 км, или на 56%. С сохранением потенциала еще большего увеличения емкости батареи в ходе дальнейших НИОКРов. Получить электрокар с запасом хода выше 1000 км — давняя мечта Маска. Важный момент — удастся ли снизить стоимость такой батареи по отношению к сегодняшним литий-ионным. Но этот вопрос Джефф Дан вообще обошел стороной.
Подробнее - https://hightech.plus/2020/08/16/novie-batarei-uvelichat-zapas-hoda-mashin-tesla-na-280-kilometrov
Высокоскоростная камера фиксирует жидкости в виде твердых тел
Август, 2020
Исследователи из Великобритании изучили свойства жидкостей с помощью высокоскоростной камеры. Она снимает настолько быстро, что жидкости больше похожи на твердые тела. В будущем этот метод будут использовать для проектирования материалов, которые испытывают ударные нагрузки. https://www.engadget.com/high-speed-camera-fluid-behaving-like-solid-002235481.html
Ученые используют высокоскоростные камеры для фиксации «невидимого» глазу мира — тех объектов, которые движутся слишком быстро. На этот раз исследователи из Университета Суонси впервые использовали камеру, записывающую 1000 кадров в секунду, чтобы исследовать жидкость в виде отдельных кадров, где они выглядят как твердые тела.
Для этого команда поместила жидкую смесь кукурузного крахмала и воды в узкий сосуд и подвергала ее воздействию воздуха под давлением. Это приводило к красивым сгусткам по мере распространения жидкости — они создавала узоры и «трещины», которые могли фиксировать ученые.
Подобный эксперимент до сих пор не проводился с жидкостью. Он может повлиять на то, как исследователи изучают жидкости. Исследование может показать свойства материала и то, как оно ведет себя в разных средах. Меняя состояние вокруг, ученые могут включать и выключать трение или состояние жидкости, просто регулируя давление.
Подробнее - https://hightech.fm/2020/08/16/fast-camera
Фундаментально новая технология УЗИ в тысячу раз дешевле
Август, 2020
Американские инженеры разработали и продемонстрировали новый подход к производству аппаратов ультразвукового исследования. Их метод проще традиционного и может снизить себестоимость приборов ультразвуковой диагностики на порядки.
Традиционные аппараты УЗИ состоят из генератора ультразвуковых волн и приемника, который обнаруживает их и превращает в электрический сигнал. Компьютер преобразует его в изображение. Специалисты из Северо-Западного университета создали устройство, которое полностью устраняет этап обработки электрического сигнала.
Инженеры разработали приемник, состоящий из пьезоэлектрического кристалла и органического светодиода. Когда ультразвуковая волна достигает кристалла, он вырабатывает напряжение, и лампочка загорается. Другими словами, изображение появляется на OLED-экране, который встроен в сам приемник, пишет Science Daily. https://www.sciencedaily.com/releases/2020/08/200813131257.htm
Пока прототип находится на стадии доказательства жизнеспособности идеи, так что у него крошечный экран с разрешением 10×10 пикселей. Однако, разработчики утверждают, что технология легко позволяет изготовить экран 500×500 пикселей.
«Обычные аппараты УЗИ могут стоить до $100 000, потому что состоят из тысяч матриц первичных преобразователей, которые повышают расходы на производство, — сказал Фрэнки Со, соавтор исследования. — Мы можем сделать ультразвуковой приемник-экран за $100 или около того».
Подробнее - https://hightech.plus/2020/08/14/fundamentalno-novaya-tehnologiya-uzi-v-tisyachu-raz-deshevle
Физики разработали лазер на гетероструктуре германий-олово с электрической накачкой
Август, 2020
Физики разработали и протестировали лазер на гетероструктуре германий-олово с электрической накачкой. Ширина самого узкого пика генерации составила 0,13 нанометра, а порог генерации — 598 ампер на квадратный сантиметр при температуре 10 кельвин. Сплав германий-олово хорошо совместим с кремниевой технологией и поэтому такой полупроводниковый лазер может стать отличным интегральным источником света.
Статья опубликована в журнале Optica. https://www.osapublishing.org/DirectPDFAccess/7ED5DF93-FF31-B3B0-8591584B69FC7112_434176/optica-7-8-924.pdf?da=1&id=434176&seq=0&mobile=no
Любой лазер состоит из трех основных частей: накачки, активной среды и резонатора. Накачка служит источником энергии — она может быть электрической, химической, тепловой или световой. Эта энергия необходима атомам активной среды для того, чтобы перейти в возбужденное состояние и после релаксации испустить фотоны. Резонатор в простейшем случае представляет собой два зеркала и позволяет фотонам много раз пролететь через активную среду и заставить другие атомы тоже испустить фотоны. Одно из зеркал резонатора делается частично прозрачным, чтобы излучение лазера могло покинуть резонатор.
Если активная среда лазера — полупроводник, то такой источник излучения можно накачивать электрическим током. При подаче напряжения электроны и дырки полупроводника приходят в движение. Они встречаются в активной зоне и могут объединиться (рекомбинировать) с испусканием фотона. Чем больше электронов и дырок находится в активной зоне, тем вероятнее они будут рекомбинировать и тем чаще будут излучаться фотоны.
Чтобы накапливать электроны и дырки, активная зона должна представлять собой подобие ямы — частицы сваливаются в нее, а выбраться обратно не могут. Создание структуры с такой активной зоной может в разы увеличить эффективность полупроводниковых лазеров.
Подробнее - https://nplus1.ru/news/2020/08/13/electrolaser
Раскрыт проект квантового интернета, который практически невозможно взломать
Июнь, 2020
Американские чиновники и ученые начали закладывать основы для более безопасного «практически невзламываемого» Интернета на основе технологии квантовых вычислений. Об этом сообщили представители Министерства энергетики США. https://www.energy.gov/articles/us-department-energy-unveils-blueprint-quantum-internet-launch-future-quantum-internet
На презентации официальные лица Министерства энергетики (DOE) опубликовали отчет, в котором раскрыта стратегия разработки национального квантового интернета, использующая законы квантовой механики для более безопасной передачи информации, чем в существующих сетях. Агентство сотрудничает с университетами и отраслевыми исследователями в разработке для инициативы с целью создания прототипа в течение десятилетия.
В феврале ученые из Аргоннской национальной лаборатории Министерства энергетики и Чикагского университета создали 83-километровую «квантовую петлю» в пригороде Чикаго, таким образом создав одну из самых длинных наземных квантовых сетей в стране.
Цель состоит в том, чтобы создать параллельную, более безопасную сеть, основанную на квантовом запутанности или передаче субатомных частиц. Квантовая запутанность — это квантовомеханическое явление, при котором квантовые состояния двух или большего числа объектов оказываются взаимозависимыми.
Подробнее - https://hightech.fm/2020/07/25/quantum-internet-usa
Двухмерные металлы открывают путь к новой науке
Июнь, 2020
Материал толщиной в атом, разработанный исследователями из США, открывает широкий спектр новых возможностей в создании технологий биомолекулярного сканирования, исследования квантовых феноменов, химического катализа и нелинейной оптики. https://www.nature.com/articles/s41563-020-0631-x
Обычно, когда металлы находятся на воздухе, они быстро окисляются, то есть ржавеют. Всего за секунду на поверхности металлов может сформироваться слой ржавчины, который разрушит его свойства. В случае двухмерных металлов возникнет новый слой. Но если скомбинировать металл с другим 2D-материалом посредством традиционного синтеза, химическая реакция уничтожит свойства и металла, и покрывающего его слоя.
Для того чтобы избежать подобного, команда ученых из Университета штата Пенсильвания применила метод, который автоматически покрывает двухмерный металл одним слоем графена.
Подробнее – https://hightech.plus/2020/03/12/dvuhmernie-metalli-otkrivayut-put-k-novoi-nauke
Физики обнаружили мягкие электронные моды тримеронной сети магнетита
Июнь, 2020
С помощью ультракоротких лазерных импульсов физики смогли проконтролировать моды электронных колебаний тримеронной сети магнетита и доказать, что эти моды причастны к механизму перехода Вервея. Это открытие приблизит ученых к разгадке механизма перехода магнетита из проводящего в диэлектрическое состояние.
Работа опубликована в журнале Nature Physics. https://www.nature.com/articles/s41567-020-0823-y
Магнетит — это очень распространенный минерал черного цвета из класса оксидов, его можно обнаружить даже в мозге человека. Несмотря на широкое распространение, он обладает свойством, природу которого физики до сих пор не могут полностью объяснить.
При температуре ниже 125 кельвин атомы магнетита изменяют свою кристаллическую структуру так, что минерал переходит из металлического состояния в диэлектрическое. Такой фазовый переход называется переходом Вервея. Он был открыт еще в 1939 году, но объяснить его ученым не удается до сих пор.
Подробнее – https://nplus1.ru/news/2020/03/13/soft-electronic-modes
Получены самые точные 3D-изображения двумерных материалов
Май, 2020
Физики из США смогли получить детальные экспериментальные трехмерные карты расположения атомов в двумерном материале — дисульфиде молибдена. Результаты своей работы исследователи опубликовали в журнале Nature Materials. https://www.nature.com/articles/s41563-020-0636-5
Двумерные материалы представляют большой интерес для исследователей. Хотя они еще не нашли коммерческого применения, в будущем они могли бы стать основой для полупроводников в наноэлектронике, компонентах квантовых компьютеров, более эффективных батареях или фильтрах, способных извлекать пресную воду из соленой.
Но использование двумерных материалов в реальных приложениях потребует более глубокого понимания их свойств и способности управлять этими свойствами. В этом направлении продвинулась группа исследователей из Гарвардского университета, Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе, Университета Райса и Ок-Риджской национальной лаборатории. Они впервые в мире создали трехмерную карту 2D-материала.
В качестве модели ученые выбрали один из двух наиболее часто используемых представителей этого класса — дисульфид молибдена MoS2.
Подробнее – https://indicator.ru/chemistry-and-materials/3d-karta-dvumernykh-materialov-12-03-2020.htm
Создана тонкая бесфокусная линза
Май, 2020
Используя объектив толщиной меньше микрона, исследователи создали камеру, которая не требует фокусировки, в отличие от традиционных камер, где используется несколько объективов для формирования высококачественных изображений. Статья о разработке опубликована в журнале Optica. https://www.osapublishing.org/optica/abstract.cfm?uri=optica-7-3-214
«Наши плоские линзы могут значительно снизить вес, сложность и стоимость камер и других систем визуализации, одновременно увеличивая их функциональность, — говорит руководитель исследовательской группы Раджеш Менон из Университета штата Юта. — Такая оптика может помочь создать более тонкие камеры смартфонов, лучшие системы биомедицинский визуализации и более компактные камеры для автомобилей».
В своей работе ученые представили новую плоскую линзу и показывают, что она может одновременно фокусироваться на объектах, которые находятся примерно в шести метрах друг от друга. Новые материалы состоят из нанесенных на подложку наноструктур с определенным рисунком, а не громоздкого стекла или пластика.
Для фокусировки света традиционные линзы преобразуют параллельные световые волны в сферические, которые сходятся в фокусе. Авторы новой работы выяснили, что волны других форм могут производить аналогичный эффект, значительно увеличивая число возможных конструкций линз. Из всего этого многообразия исследователи выбрали наиболее перспективный вариант, используя вычислительные модели.
Подробнее – https://indicator.ru/physics/sozdana-tonkaya-besfokusnaya-linza-13-03-2020.htm
Сверхбыстрая спектроскопия помогла увидеть распределение энергии при фотосинтезе
Май, 2020
Американские и итальянские ученые исследовали механизм перераспределения энергии светособирающим комплексом в искусственной мембране, аналогичный процессам, которые происходят в клетках зеленых растений. Оказалось, что процесс проходит по двум путям, один из которых ранее уже предполагали, но экспериментально подтвердили впервые.
Результаты исследования опубликованы в Nature Communications. https://www.nature.com/articles/s41467-020-15074-6
В зеленых растениях переход солнечной энергии в энергию образования химических связей переходит посредством сложной цепочки реакций. В нее входит сеть белков-антенн: светособирающих комплексов в мембране, которые поглощают свет и направляют его в реакционный центр, где образуется разность зарядов, которая запускает реакцию фотосинтеза. Сеть белков также умеет приспосабливаться к меняющимся условиям освещения, чтобы предотвратить образование вредных продуктов фотохимических реакций вроде радикалов.
Когда света слишком много, система настраивается так, чтобы рассеивать избыток энергии, преобразуя его в тепло. Этот процесс называют нефотохимическим тушением. В каждом светособирающем комплексе происходит ряд фотофизических процессов, проходящих по путям передачи, перераспределения энергии и образования вредных молекул.
Подробнее – https://nplus1.ru/news/2020/03/12/LHCII-photophysics
Предсказано существование новых плазмонов, пригодных для создания сверхчувствительных биосенсоров
Май, 2020
Научно-исследовательская группа ученых СФУ и ФИЦ КНЦ СО РАН предсказала существование нового типа плазмонов, связанных с переносом заряда. Эксперты оценивают полученный результат как весьма яркий и многообещающий с точки зрения создания основы для создания сверхчувствительных биосенсоров нового поколения.
Работа опубликована в рейтинговом международном журнале Journal of Chemical Physics. https://aip.scitation.org/doi/full/10.1063/1.5131734
Наноплазмоника на сегодняшний день считается одной из самых быстроразвивающихся областей нанофотоники. Именно открытия в наноплазмонике могут внести решающий вклад в развитие биомедицины, солнечной энергетики и телекоммуникационных технологий. Исследователям из СФУ удалось предложить совершенно новый тип плазмонных частиц, которые имеют значительный потенциал.
Прорыв в достижении суперконтинуума
Май, 2020
Шотландские ученые сгенерировали широкий спектр цветов из одного лазера, открыв новый процесс достижения суперконтинуума, электромагнитного излучения со сверхшироким спектром. Этот эффект позволяет создавать свет нужных цветов и используется в медицине, оптической коммуникации и фундаментальных исследованиях материалов.
До сих пор существовало два пути создания суперконтинуума — процесса, при котором лазерный луч одного цвета проходит сквозь материал вроде стекла и разделяется на спектр цветов — специальное оптическое волокно около одной десятой толщины волоса, которое концентрирует свет до очень высокой интенсивности; и еще более мощный свет усиленного лазера, которое фокусируют на обычное стекло.
Оба этих традиционных подхода не лишены недостатков: либо это размеры, сложность и цена высокоинтенсивного лазера, либо — точность наведения, необходимая для того, чтобы попасть светом в волокно диаметром всего две тысячных миллиметра, пишет Phys.org. https://phys.org/news/2020-03-crystal-supercontinuum-breakthrough.html https://www.osapublishing.org/optica/abstract.cfm?uri=optica-7-2-172
Специалисты по фотонике из Университета Хериота — Уатта продемонстрировали новый метод, сочетающий лучшее из обоих миров: цветовой суперконтиннум обычного, нелинейного кристалла с использованием только среднеэнергетических лазеров. Это фундаментально новый механизм — специально созданный кристалл из фосфида галлия запускает каскадный эффект.
Подробнее – https://hightech.plus/2020/03/10/proriv-v-dostizhenii-superkontinuuma
Рождение звезд: видео-интервью с астрономом Дмитрием
Апрель, 2020
Как появились первые звезды и как меняется звездное небо
Гость Рубки ПостНауки — астроном Дмитрий Вибе. С ним мы поговорим о рождении звезд и планет. Ведет эфир исполнительный директор ПостНауки Лиана Хапаева.
Дмитрий Вибе — доктор физико-математических наук, заведующий отделом физики и эволюции звезд Института астрономии РАН.
Подробнее – https://postnauka.ru/tv/154927
Физики заморозили 100 миллионов атомов при комнатной температуре
Февраль, 2020
Ученые из Австрии и США смогли поймать частицу, состоящую из 100 миллионов атомов, с помощью лазера и практически заставить ее остановиться при комнатной температуре. Частица находилась в основном квантовом состоянии с эффективной температурой 12 микрокельвинов. Работа опубликована в журнале Science. https://science.sciencemag.org/content/early/2020/01/29/science.aba3993
Известно, что микроскопические объекты, размером пару атомов, описываются законами квантовой механики. Такие объекты естественным образом могут быть использованы в квантовых технологиях: при проектировании высокочувствительных сенсоров или симуляторов сложных макроскопических систем. Однако, создание больших когерентных объектов, которые состоят из миллионов атомов, — открытая проблема на сегодняшний день.
Физики из Венского университета и MIT создали макроскопическую суперпозицию внутри частицы диоксида кремния, которая содержала в себе 100 миллионов атомов. Ученые поместили частицу в резонатор с помощью оптического пинцета — устройства, в котором используется достаточно мощный лазер для удержания объекта в фиксированном положении в пространстве с точностью в несколько нанометров.
С помощью частотного анализа резонатора физики измерили энергию движения частицы и её температуру, а также время жизни этого состояния. Благодаря точному подбору параметров оптического пинцета исследователи заставили частицу быть в основном квантовом состоянии с наименьшей возможной энергией.
Подробнее – https://nplus1.ru/news/2020/02/01/stopAtoms
