Учёные Стэнфордского университета доложили о создании нового материала, который поможет создать оперативную память с более высокой скоростью работы и энергоэффективностью. Соединение имеет формулу MnPd₃ (марганец-палладий-3). Оно позволит создавать быстрые модули памяти, поддерживающие обучение систем искусственного интеллекта локально, а не на удалённых серверах.

Источник изображения: Gerd Altmann / pixabay.com

Авторы проекта считают, что человечество переходит от эпохи интернета к эпохе ИИ, и актуальной задачей становится запуск ИИ-алгоритмов на периферии — на домашнем компьютере, смартфоне или даже смарт-часах. Это позволит, например, обнаруживать признаки проблем со здоровьем или распознавать естественную речь, но такие приложения требуют более эффективного оборудования, чем существующее, в том числе более быстрой оперативной памяти.

В данном случае речь идёт о памяти типа SOT-MRAM (spin-orbit torque MRAM) — магниторезистивной оперативной памяти с записью данных с помощью спин-орбитального вращательного момента. В её основе лежит внутреннее свойство электронов — его спин. Спин можно описать как нечто напоминающее баскетбольный мяч, вращающийся на кончике пальца спортсмена. Но поскольку электрон является заряженной частицей, он при вращении превращается в крошечный магнит, с поляризацией вдоль оси вращения — возвращаясь к аналогии с баскетбольным мячом, это линия, продолжающая линию пальца у спортсмена. Направляя эти линии вверх или вниз, можно добиться представления нулей или единиц, формируя в массиве байты компьютерных данных. При этом такая память в отличие от применяемой сейчас повсеместно оперативной памяти является энергонезависимой.

Источник изображения: news.stanford.edu

В модулях памяти SOT-MRAM через слой материала спин-орбитального момента (SOT) проходит спин-поляризованный ток, из-за которого производится переключение спинов частиц в соседнем магнитном материале. В идеале правильно подобранные вещества обеспечивают запись данных простым переключением тока в слое SOT. Однако найти подходящий материал для такого слоя непросто, и здесь снова требуется аналогия. Если взять за систему отсчёта лежащий на тарелке ломтик хлеба, а по его краям отложить оси X и Y, то при прохождении тока по оси X у большинства материалов спиновая поляризация производится по оси Y, тогда как максимальной плотности данных можно добиться при поляризации по оси Z — оси, продолжающей линию перпендикулярно воткнутой в ломтик хлеба зубочистки. Обойти это ограничение в общем случае получается при помощи внешнего магнитного поля, которое требует дополнительного пространства и дополнительных расходов энергии.

Нужными свойствами обладает полученное американскими учёными соединение MnPd₃ — его внутренняя структура лишена кристаллической симметрии, которая заставила бы все электроны выстраивать спины вдоль одной линии. При помощи этого материала исследователи продемонстрировали переключение поляризации как в направлении Y, так и в направлении Z без необходимости во внешнем магнитном поле — её можно выстраивать даже в направлении X, уточнили учёные, хотя этот нюанс в основную работу и не вошёл.

Помимо асимметричной кристаллической структуры, MnPd₃ обладает рядом иных свойств, которые помогут быстро внедрить его в массовое производство модулей SOT-MRAM. В частности, он выдерживает производимый при выпуске электроники отжиг (400 °C на 30 минут), а его слой создаётся при помощи магнетронного напыления — этот процесс уже используется при производстве других компонентов для хранения данных. Иными словами, для его внедрения в производство не потребуется новых инструментов или новых методов — материал обладает новыми свойствами, но идеально вписывается в современные технологии производства. Учёные уже работают над прототипам модулей SOT-MRAM на базе марганца-палладия-3, которые можно будет интегрировать в реальные устройства.

К моменту строительства космических баз на Луне, Марсе и где-то ещё у нас должны быть развиты соответствующие технологии. Их основой станет производство строительных материалов на месте. Ракетами с Земли кирпичей не навозишь. Поэтому ряд земных лабораторий и компаний заняты изобретением технологий и составов стройматериалов из местного сырья с добавлением привозного. Многообещающей добавкой оказался картофельный крахмал.

Образцы кирпичей с добавлением крахмала. Источник изображения: Open Engineering/CC BY 4.0

В недалёком прошлом на роль скрепляющих материалов для производства «космического» бетона пробовали мицелий грибов, а также пот, мочу и кровь колонистов. Исследователи из Манчестерского университета предложили использовать картофельные чипсы с большим содержанием крахмала и остаточными следами влаги. Из мешка чипсов весом 25 кг можно произвести почти полтонны фирменного состава StarCrete, которого хватит на изготовление 213 «космических» кирпичей.

Кирпич из смеси крахмала и имитатора лунной пыли выдерживал давление 91 МПа. Кирпичи из смеси крови и пыли оказались менее прочными — выдерживали сжатие до 40 МПа. Обычный бетон, для сравнения, выдерживает давление 32 МПа (надо понимать, это усреднённая величина). Дополнительную прочность кирпичам с добавлением крахмала придало добавление соли в раствор. Это может быть минеральная соль с поверхности планеты и даже соль из слёз космонавтов.

Источник изображения: Open Engineering

Интересно, что на Земле тоже найдётся ниша для использования кирпичей из картофеля. Считается, что производство бетона и цемента ведёт к выбросу примерно 8 % парниковых газов. Выращивание картофеля и превращение его в строительный материал уменьшит выбросы и увеличит поглощение CO₂ из воздуха пока картофель будет расти на грядках. Для продвижения идеи была создана компания DeakinBio. Если технология найдёт применение на Земле, считают разработчики, её будет легче распространить на использование в космосе.

Группа учёных из США создала «камеру», скорость затвора которой в один триллион раз быстрее затвора обычных камер в смартфонах, а переменная выдержка позволяет фиксировать атомы как в динамике, так и в статике. Устройство помогло сделать открытие в области термоэлектрических материалов, которые преобразуют избыточное или «мусорное» тепло в электрический ток. Сделанные «камерой» изображения показывают танец групп атомов, которые отвечают за такой процесс.

Обработанное изображение атомов с длительной выдержкой (слева) и с короткой (справа). Источник изображения: Jill Hemman/ORNL

Поясним, твёрдые тела могут содержать группы атомов (подрешётки), находящиеся в движении даже в твёрдом кристаллическом состоянии. Такие состояния называются квазижидкими. Остальные подрешётки каркаса остаются в неподвижном упорядоченном состоянии, обеспечивая материалу присущую ему механическую прочность и твёрдость. Подобные материалы имеют перспективу в сфере преобразования тепла в электричество. К примеру, электричество можно будет получать из выхлопных труб двигателей, из выбросов тепла на АЭС и других электростанциях и много где ещё.

Разработанная американскими учёными камера позволяет делать снимки таких коллективных движений атомов, что даёт возможность улучшать и совершенствовать термоэлектрические материалы. Учёные начинают продвигаться в исследовании не вслепую, а осознанно, наблюдая картину происходящего в реальном масштабе времени. С чуть более длинной выдержкой картинка получается несколько размытой, обеспечивая взгляд на атомы в динамике — в «танце», тогда как кратчайшая выдержка длительность в одну пикосекунду даёт изображение чёткой атомной структуры.

Таким способом учёные из Колумбийского Университета, Университета Бургундии с привлечением специалистов Ок-Риджской национальной лаборатории и Аргоннской национальной лаборатории смогли обнаружить нарушение атомных симметрий в теллуриде германия (GeTe), одном из важных материалов для термоэлектричества, который преобразует отработанное тепло в электричество (наоборот способен охлаждаться под воздействием электричества). Ранее им не удавалось увидеть смещения, показать динамические колебания и скорость их изменения. В результате команда разработала новую теорию, которая показывает, как такие локальные флуктуации могут формироваться в GeTe и родственных материалах.

Что касается непосредственно «камеры», то это установка на базе источника нейтронов из ORNL. Называется она variable shutter PDF или vsPDF. Об исследовании было рассказано в журнале Nature Materials.

Учёные из Университета Райса, США, разработали технологию подготовки строительных древесностружечных пиломатериалов нового поколения для борьбы с глобальным потеплением. На выходе получается строительная древесина с возможностью поглощать углекислый газ из атмосферы. Технология не перевернёт мир, но сделает его немного чище.

Источник изображения: Pixabay

Сегодня существует множество предложений по извлечению CO₂ из атмосферы и из продуктов горения при промышленном производстве. Некоторые проекты реализованы, и множество стоят в очереди на реализацию. Как правило, все предложения опираются на активную работу средств улавливания и поглощения, что делает их затратными и снижает эффективность. Если наделить строительную древесину свойствами пассивного улавливания атмосферного CO₂, то в итоге это может оказаться достаточно эффективно.

Сверх того, предложенная учёными технология обработки делает древесину прочнее, что позволит ей в ряде случаев заменить бетон и даже сталь. Тем самым можно сократить производство бетона и стальных изделий, что, в свою очередь, снизит вредные выбросы углекислого газа. Более прочная древесина хоть и опосредованно, но положительно повлияет на климатические изменения.

Источник изображения: Rahman et al/Cell Reports 10.1016/j.xcrp.2023.101269

В чём же заключается предложение американских учёных? Во-первых, древесину необходимо освободить от лигнина. Это природный полимер, придающий ей гибкость и окраску. Для этого древесину кипятят в специальном водном растворителе. Во-вторых, древесину с извлечённым лигнином высушивают. На третьем этапе древесина вымачивается в растворе с содержанием микроскопических частичек металлоорганического каркаса Calgary framework 20 (CALF-20) и сушится (выше на фото процесс иллюстрирован по шагам, начиная с левой стороны изображения).

Все освобождённые от лигнина полости в древесине заполняются частичками CALF-20. Это вещество обладает гидрофобными свойствами и не способно поглощать влагу из воздуха, что для строительных материалов является весомым плюсом. В то же время CALF-20 отлично поглощает углекислый газ и именно его присутствие превращает древесину в пассивный поглотитель CO₂ из атмосферы. Попутно это вещество делает древесину намного прочнее.

На следующих этапах учёные будут испытывать улучшенную древесину на прочность и подвергать другим воздействиям, что необходимо для утверждения её на роль строительных материалов в будущем. Возможно, когда-нибудь она начнёт её играть.

Графен представляется волшебным материалом для множества применений в электронике от производства аккумуляторов до выпуска чипов. Одной из таких ниш обещает стать оптоэлектроника. Использование графена в фотоприёмниках может значительно поднять скорость передачи данных, что актуально не только в перспективе для развития сетей 6G, но также в обозримом будущем для вывода оптического трафика на новый уровень пропускной способности.

Источник изображения: Pixabay

Современные фотодетекторы на основе полупроводниковых материалов неплохо справляются со своей ролью преобразовывать падающий свет в электрический сигнал. Однако для полупроводниковых материалов в силу их свойств (определённой ширины запрещённой зоны) есть ограничения. В частности, полупроводниковые фотодетекторы имеют обратную зависимость между полосой пропускания, чувствительностью и потреблением. Проще говоря, работающий на максимальной скорости фотопреобразователь потребует достаточно сильного входного сигнала, что увеличит помехи и потребление.

Графен как полуметалл свободен от таких ограничений полупроводников и обеспечивает широчайший спектр поглощения, включая тетрагерцовый, дальний инфракрасный, средний инфракрасный, ближний инфракрасный, коротковолновый инфракрасный, ультрафиолетовый и видимый. У графена нет запрещённой зоны, и это обеспечивает ему уникальную возможность улавливать электромагнитные волны множества длин, а это путь к сверхширокополосным фотодетекторам.

Также графен обладает высокой подвижностью носителей, что реализуется как сверхбыстрое преобразование фотонов в электрический ток, а высокая теплопроводность обещает максимально снизить потребление фотоприёмников. Наконец, графен совместим с классическими КМОП-техпроцессами производства, что в перспективе обеспечит ему интеграцию в чипы кремниевой фотоники.

Самый быстрый на сегодня фотодетектор создали немецкие разработчики из Центра передовой микроэлектроники Аахена и компании AMO GmBH. Графеновый фотодетектор обладает полосой пропускания свыше 128 ГГц, что в теории обеспечит скорость передачи данных по оптическим каналам со скоростью свыше 180 Гбит/с. Подобного расширения ёмкости каналов связи может потребовать даже развитие сетей 5G, не говоря уже о внедрении сетей 6G к концу текущего десятилетия.

Для коммерциализации графеновых фотодетекторов компания AMO совместно с учёными создала в Германии компанию Black Semiconductor. Заявлено, что Black Semiconductor представит технологию массового производства гибридных кремний-графеновых фотонных платформ для любой электроники. У компании AMO достаточно наработок в этой сфере, которые она передала Black Semiconductor. Например, ещё в 2018 году AMO показала первый в мире полностью графеновый оптический кабель связи, который может достигать скорости передачи данных 25 Гбит/с на канал. Преобразование электрических сигналов в оптические и обратное преобразование в разъёмах кабеля выполняли графеновые схемы.

Научный и производственный багаж Black Semiconductor и AMO Germany позволили включить их в общеевропейский проект ULTRAPHO (Ultra-fast Graphene Photodetectors FTI) целью которого является революция на рынке фотонных коммуникационных устройств путем вывода на рынок революционной графеновой технологии. Перефразируя давнюю поговорку о том, что памяти много не бывает, можно смело утверждать, что трафика тоже не бывает много. Графен обещает стать тем решением, которое если не решит проблему с пропускной способностью, то хотя бы на годы её отодвинет.

Группа британских учёных открыла существование такой формы льда, которая ещё не обнаруживалась. Этот лёд выглядит как мелкий порошок, но по своим свойствам и структуре больше похож на жидкую воду. На Земле нет естественных условий для образования подобных форм, но в космосе и на холодных лунах планет-гигантов его может быть в избытке. Изучение новой формы льда поможет продвинуться в понимании всех свойств воды, как основы биологической жизни и не только.

Лёд в шаровой мельнице. Источник изображения: Christoph Salzmann

Науке известно 20 форм кристаллического льда и только две формы аморфного льда. В земных условиях повсеместно встречается обычный кристаллический лёд формы I_h и, реже, две других формы кристаллического льда: один только в верхних слоях атмосферы (I_с), а другой в Антарктиде (XI). Две известные аморфные формы льда распространены в космических условиях, где недостаточно тепла для роста кристаллов и такой лёд по структуре напоминает жидкую воду, вот только одна аморфная форма льда имеет плотность ниже плотности воды (0,94 г/см³), а другая — выше (1,13 г/см³). Аморфный лёд с плотностью воды или стекловидная форма воды не был обнаружен, и это не позволяло учёным до конца понять некоторые загадочные состояния воды.

Слева аморфная структура льда, похожая на воду. Справа структура кристаллического льда. Источник изображения: University of Cambridge

Учёные из Университетского колледжа Лондона и Кембриджского университета провели эксперимент, который лежал на поверхности, но почему-то не был поставлен. Они охладили обычный лёд в шаровой мельнице до температуры жидкого гелия и перемололи лёд до состояния порошка с практически полным разрушением кристаллической структуры. На выходе получился лёд с аморфной структурой, как у воды, и, что самое удивительное, плотность такого льда оказалась примерно такой же, как у воды — около 1.

Плотность и структура новой формы льда, которую назвали льдом средней плотности (MDA), была подтверждена спектральным, рентгеновским и другими методами. Также выяснилось, что при кристаллизации, которая запускается после определённого нагрева льда средней плотности, выделяется неожиданно много энергии. Учёные предположили, что благодаря такому свойству многокилометровые залежи подобного льда на ледяных лунах планет-гигантов являются источниками естественных тектонических процессов на этих небесных телах.

Один из авторов исследования сказал: «Существующие модели воды должны быть заново проверены. Они должны быть способны объяснить существование аморфного льда средней плотности. Это может стать отправной точкой для окончательного объяснения свойств жидкой воды».

Учёные научились менять теплопроводность материала с помощью электрических сигналов. Подобное свойство подозревалось у ферроэлектриков, но до сих пор доказывающих это научных работ не было. Группа учёных из Университета штата Огайо смогла доказать, что теплопроводностью можно управлять при комнатной температуре с помощью электрического поля. Фактически речь идёт о создании твердотельных тепловых переключателей, что найдёт множество практических применений.

Источник изображения: Pixabay

Для создания теории тепловых коммутаторов учёные воспользовались давно предсказанной квазичастицей ферроном. Эта квазичастица переносит в материале одновременно тепло (полученную из окружающей среды энергию) и поляризацию. Ферроны волнообразно перемещаются в материале среди колеблющихся атомов кристаллической решётки. И если раньше считалось, что внешнее электрическое поле не воздействует на колебания атомов в решётке, то новое исследование и новая теория доказали, что комплексное воздействие внешнего электрического поля на поляризацию и «вихляние» ферронов вместе с воздействием на колебание атомов в решётке приводит к эффекту переключаемого переноса тепла.

«Мы выяснили, что изменение положения этих атомов и изменение характера колебаний должно переносить тепло, и поэтому внешнее поле, изменяющее эти колебания, должно влиять на теплопроводность, — заявляют исследователи. — Люди склонны думать, что вибрации атомов — это само собой разумеющийся факт, которые не реагируют на электрическое или магнитное поле. А мы говорим, что на них можно воздействовать электрическим полем».

В экспериментах с таким ферроэлектриком (в советской литературе — сегнетоэлектриком), как цирконат-титанат свинца теория и измерения совпали — при приложении электрического поля и без него разница в теплопроводности составила 2 %. Для практического применения — это ничто, хотя как подтверждение теории результат достаточный.

В дальнейшем учёные намерены найти такой материал для переключения теплопроводности, который бы менял её по электрическому сигналу хотя бы на 15 % или около того. Подобные материалы нашли бы применение в солнечной энергетике и в других областях, например, для охлаждения электроники в космических аппаратах, где с этим всегда очень непросто. В любом случае, это исследование финансируют американские военные, а они не спешат делиться нюансами будущего использования этого исследования.