Ферромагнитные жидкости - это жидкость, нефть, органический растворитель или просто вода, заполненная крошечными наночастицами, до 10 нанометров диаметром. Для того, что бы эти частицы не сбивались в плотные образования их поверхность покрыта специальным составом, сурфактантом. Внешне такая жидкость напоминает обычную вязкую жидкость, но стоит оказать на нее воздействие с помощью внешнего магнитного поля, она тут же преображается, становясь подвижной, текучей и формирует удивительные формы. А применяя управляемое переменное магнитное поле сложной конфигурации, можно заставить эту жидкость течь в нужном направлении и принимать совсем уж экзотические формы.

Ферромагнитные жидкости известны уже достаточно давно, они применяются в различных устройствах и механизмах. Основной областью применения таких жидкостей является их использование в качестве барьеров, предохраняющих узлы сложных и точных механизмов от проникновения пыли и других загрязняющих веществ. Так же ферромагнитные жидкости в свое время использовались в мощных высококачественных акустических системах, где с их помощью удавалось получить более высокую выходную мощность, избегая перегрева головок динамиков.

В настоящее время ряд ученых и исследовательских групп снова обратили свое внимание на ферромагнитные жидкости, но уже на другом, микро- и наноуровне. Лаборатория электромагнитных и электронных систем (Laboratory for Electromagnetic and Electronic Systems) Массачусетского технологического института, возглавляемая профессором Маркусом Зэном, ведет исследования ферромагнитных жидкостей с целью применения их для создания управляемых микроэлектромеханических (Micro Electro Mechanical Systems, MEMS) и наноэлектромеханических систем (Nano Electro Mechanical Systems, NEMS).

На приведенных ниже видеороликах можно увидеть подготовленные демонстрации того, на что способны ферромагнитные жидкости под воздействием внешнего управления с помощью магнитного поля. От себя скажу, что эти ролики стоит посмотреть обязательно, то, что на них происходит, буквально завораживает.

Электронные приборы и устройства, окружающие нас в повседневной жизни, основаны на кремниевых чипах, в проводниках которых движутся электроны. Новый встраиваемый биохимический чип, созданный исследователями группы Organic Electronics из шведского университета Линчепинг (Linkoping University), демонстрирует реализацию совершенно нового принципа создания логических цепей, которые работают на основе передачи ионов различных веществ и целых молекул.

Сначала исследователи группы Organic Electronics разработали на основе биомолекул ионные транзисторы, способные к передаче как положительных, так и отрицательных электрических зарядов, аналоги обычных электронных транзисторов различной проводимости. Исследователь Клас Тибрандт (Klas Tybrandt) сделал следующий шаг, комбинируя транзисторы обоих типов в более сложные цепи, подобно тому, как это делается в кремниевой электронике.

Подобно кремниевым чипам, биохимический чип так же создан из логических элементов И-НЕ, которые являются основным "строительным кирпичиком" всей современной цифровой электроники и на основе которых создаются элементы, выполняющие более сложные логические функции.

В отличие от традиционной электроники, основанной на кремнии и других полупроводниковых материалов и использующей в качестве носителя заряда электроны, биохимические цепи используют химические вещества. А, как известно, различные химические вещества обладают совершенно разными химическими свойствами. Используя этот факт, биохимические чипы обеспечивают новые возможности для тонкого управления отдельными процессам внутри человеческого организма, такими, как прохождение сигнала через нервные клетки.

"Используя биохимические чипы нам ничего не стоит отослать соответствующие сигналы через синапы, идущие к мускульным тканям, в местах, где обычная нервная система не работает из-за заболеваний или в силу других причин" - рассказывает профессор Магнус Берггрен (Magnus Berggren), глава исследовательской группы Organic Electronics. - "Сейчас мы уже достаточно точно знаем, как наш чип будет работать с различными веществами, к примеру, ацетилхолином, которые используются в организме для передачи различных сигналов".

Встраиваемый биохимический чип и принципы его функционирования были опубликованы в последнем выпуске журнала Nature Communications.

Исследователи из университета Райс создали самый маленький в истории коаксиальный кабель, диаметр которого не превышает 100 нанометров. При таких маленьких габаритах этот нанокабель обладает в несколько раз большей электрической емкостью, чем все типы микроконденсаторов, созданные кем-нибудь ранее. Этот нанокабель, изготовленных с помощью технологий, которые вошли в применение вместе с началом исследований в области графена, может быть использован для создания малогабаритных систем аккумулирования энергии следующего поколения, тех систем, в которых так сильно нуждаются современные гибридные и электрические автомобили.

Помимо использования в области аккумулирования энергии, коаксиальный нанокабель может так же использоваться и для того, для чего используются обычные коаксиальные кабеля - для передачи высокочастотных электрических сигналов, но на наноуровне, к примеру, в пределах кристалла чипа.

Чисто внешне крошечный коаксиальный нанокабель весьма подобен тем кабелям, которые приводят сигналы кабельного телевидения в миллионы домов и офисов. Сердцевина кабеля - проводник из твердой меди, который покрыт тонким изолирующим слоем из оксида меди. Окружает эту многослойную структуру третий слой, так же токопроводящий. В телевизионных кабелях обычно это сетка из сплетенных медных проводков, но в нанокабеле - это тонкий слой углерода, толщиной всего в несколько атомов.

Тем, кто знаком с электротехникой сразу становится ясно, что эта трехслойная структура проводник-диэлектрик-проводник является ничем иным, как электрическим конденсатором, электронным устройством, способным накапливать и хранить электрический заряд. Исследования показали, что электрическая емкость коаксиального нанокабеля по крайней мере в 10 раз выше, чем это может быть объяснено с помощью обычных физических законов, емкость нанокабеля составляет порядка 143 микрофарад на квадратный сантиметр площади. "Увеличение емкости происходит наиболее вероятно из-за влияния квантовых эффектов, которые начинают проявляться вследствие маленьких размеров нанокабеля" - объясняют ученые.

Используя множество таких коаксиальных нанокабелей, расположенных и упорядоченных соответствующим образом в больших количествах на каком-нибудь основании можно создать устройства аккумулирования энергии большой емкости и не имеющее отрицательных свойств, присущих химическим аккумуляторным батареям. "Наноразмерный коаксиальный кабель так же может быть использовании в качестве линии передачи на наноуровне радиочастотных сигналов и электрических сигналов, изолированных от влияния окружающей среды. А это может сделать такой кабель фундаментальным стандартным блоком, использование которого значительно улучшает характеристики наноэлектромеханическх устройств и электронных приборов типа лаборатории-на-чипе".

В целом ряде термоэлектрических устройств давно используется так называемый эффект Зеебека — возникновении электрического напряжения в цепи из последовательно соединенных разнородных металлов, контакты между которыми находятся при разных температурах. А недавно японские ученые экспериментально показали существование спинового эффекта Зеебека: оказывается, металлический магнит, помещенный в температурный градиент, является аналогом термопары.

В современной физике открытие новых эффектов — далеко не частое явление и, по сути, большая часть из них расширяет диапазон распространения классических эффектов на объекты наномира. Так случилось и с недавно открытым спиновым эффектом Зеебека, ставшим логическим продолжением классического эффекта Зеебека, открытого еще в 1821 году. Новичок, по заверениям ученых, способен сделать переворот в передовой области современной науки — спинтронике.

Классический эффект Зеебека заключается в возникновении электрического напряжения в цепи, состоящей из последовательно соединенных разнородных металлов, контакты между которыми находятся при разных температурах. Благодаря этому эффекту человечество обрело ключи к большому классу явлений под общим названием «термоэлектричество».

Сегодня в целом ряде устройств, таких как термоэлектрогенераторы, сенсоры напряжения, температуры, давления газа, интенсивности света, задействован эффект Зеебека. Термоэлектрические устройства широко используются в нашей повседневной жизни. Почти все хотя бы раз в жизни были в сауне, но мало кто знает, что температурный контроль в ней осуществляется так называемой термопарой.

Такой термоэлектрический термометр состоит из двух кусочков разнородных металлов, соединенных сваркой (рис. 1а). Один конец термопары помещается в измеряемую среду (в нашем случае в сауну), а свободные концы выведены наружу и подключены к измерительному устройству. При включении печи на нагрев разные концы термопары будут находиться при разных температурах (возникает температурный градиент), что приведет к возникновению термотока или термоэлектродвижущей силы (термоЭДС).

Измерительное устройство преобразует термоток в показания термометра либо работает как датчик температуры на включение и отключение печи в сауне при достижении определенной температуры. Кстати, если, находясь в сауне, вы не имеете возможности прибавить температуру легальным путем (блок управления печью закрыт на замок администратором), то можно воспользоваться знанием физики. Для этого на «горячий» конец термопары достаточно намотать смоченный в воде носовой платок или полотенце. Следует отметить, что главное достоинство термопар по сравнению с жидкостными термометрами — широкий диапазон рабочих температур: от 4 до 2800 К в зависимости от используемых материалов.

Выделяют три основных причины возникновения термоЭДС. Во-первых, это температурная зависимость уровня Ферми контактирующих проводников. В случае создания температурного градиента внутренние контактные разности потенциалов металлов будут различными, что и приводит к контактной составляющей термотока. Во-вторых, диффузия носителей заряда от горячего конца к холодному. В металлах тепло переносят электроны, которые диффундируют от горячего конца к холодному, накапливаясь на нём. В результате появляется электрическое поле, направленное против температур[/hide]ного градиента и препятствующее дальнейшему разделению зарядов. В-третьих, увлечение электронов фононами, которые движутся в сторону, противоположную температурному градиенту и как бы «подталкивают» электроны к холодному концу.

Все эти причины учтены в так называемом коэффициенте Зеебека, который различается для разнородных проводников (так как зависит от плотности электронов проводимости и скорости их рассеяния) и определяется как отношение сгенерированного электрического напряжения к разности температур на концах проводника. Более подробно о классическом эффекте Зеебека можно прочитать здесь или здесь.

А недавно японские ученые экспериментально показали существование спинового эффекта Зеебека. Их работа была опубликована в журнале Nature. Всё началось с теоретических рассуждений. Так как в металлическом магните электроны проводимости в состояниях «спин вверх» и «спин вниз» имеют разную плотность и скорости рассеивания, то авторы публикации логично предположили, что спиновые состояния имеют и разные коэффициенты Зеебека. Другими словами, авторы предложили рассматривать магнит как два проводника с различными коэффициентами Зеебека (рис. 1b).

Итак, магнит (в данном эксперименте — 20-нанометровая пленка пермаллоя Ni81Fe19), помещенный в температурный градиент, содержит как бы два канала для электронов в разных спиновых состояниях. По сути, металлический магнит, помещенный в температурный градиент, является аналогом термопары! Так как по спиновым каналам будет протекать ток разной величины, соответственно μ↑ и μ↓, то на выходе из магнита мы можем извлекать чистый спиновый ток, равный μ↑–μ↓. Как показали авторы статьи, такой термически индуцированный спиновый ток способен распространяться на сравнительно большие расстояния от концов магнита.

Спиновый эффект Зеебека — принципиально новая основа для создания генераторов спиновых токов, которые являются ключевыми элементами в устройствах термоспинтроники — электроники нового поколения. Японским ученым впервые в мире удалось получить чистый спиновый ток — поток электронных спинов (точнее, электронов с одинаковым спином) без приложения электрического тока, — распространяющийся на большие расстояния (несколько миллиметров). Это поразительный результат, так как все предыдущие исследования показали, что спиновые токи затухают на дистанциях, больших чем длина спиновой диффузии (расстояние, которое проходит спин без рассеяния); для сравнения, спиновая диффузия в меди составляет около 500 нм, в платине — 5 нм. Исключение составляет лишь работа Аппельбаума, которому удалось передать спин на расстояние 350 мкм.

Авторы полагают, что спиновый эффект Зеебека серьезно изменит исследования в области спиновых токов и приведет к скорому продвижению технологий по созданию спинтронных устройств нового поколения.

Источник: Elementy.ru,  K. Uchida, S. Takahashi, K. Harii, J. Ieda, W. Koshibae, K. Ando, S. Maekawa, E. Saitoh. Observation of the spin Seebeck effect // Nature. 2008. V. 455. P. 778-781; doi:10.1038/nature07321.

Исследователи из Калифорнийского технологического института (Caltech) и Лаборатории НАСА по изучению реактивного движения (NASA Jet Propulsion Laboratory, JPL), используя сверхпроводящие материалы, нитрид титана и нитрид титана-ниобия, создали новый широкополосный малошумящий усилитель. Такой усилитель, будучи установленным в радиоприемном тракте современного радиотелескопа, позволит ученым-астрономам и астрофизикам принимать самые слабые радиосигналы от крайне далеких космических объектов, при этом, сигналы не будут содержать никаких тепловых шумов, искажающих ценные научные данные.

Использование сверхпроводящих материалов и низких температур позволяет электронам течь по цепям усилителя не встречая никакого сопротивления. Созданный усилитель является параметрическим усилителем - типом усилителя электрических сигналов, который, как правило, эффективно работает только в узком радиочастотном диапазоне. Но использование явления сверхпроводимости, помимо избавления от тепловых шумов, позволило в десятки раз расширить рабочую полосу усилителя, в который сохраняется его высочайшая чувствительность.

Представители Калифорнийского технологического института и исследователи из JPL сообщают, что несмотря на то, что их усилитель является в большей части обычным параметрическим усилителем, в нем реализованы лучшие стороны и других видов усилителей электрических сигналов. Изменяя некоторые параметры устройства можно добиться того, что высокий коэффициент усиления и низкий уровень собственных шумов будет сохраняться в диапазоне от 1 гигагерца до 1 терагерца.

Конечно, непосвященному человеку очень трудно представить значение этого достижения. Поэтому я постараюсь объяснить это более популярно. Благодаря новому усилителю ученые смогут более тщательно и подробно изучить известные космические объекты - звезды, квазары, черные дыры и далекие галактики. Высокая чувствительность к радиосигналам позволит ученым с помощью радиотелескопов заглянуть еще глубже в космос и обнаружить там новые объекты, сигналы от которых "тонули" в шумах электроники, используемой современной радиоастрономией.

Как ни странно, но подобная технология может быть использована не только в астрономии, такую технологию можно успешно применить и в других областях, где требуется четкий прием радиосигналов в широком диапазоне. Разработанные усилители могут быть использованы при исследованиях в области квантовой механики и даже при создании будущих квантовых компьютеров.

Закручивая электромагнитные волны в "вихри" строго определенной формы, международная группа ученых реализовала беспроводную передачу данных со скоростью 2.5 терабита в секунду, что в настоящее время является самой быстрой беспроводной сетью передачи данных. Помимо этого, использованная технология, позволяющая реализовать эффект закручивания электромагнитных волн, теоретически не имеет ограничений. А это в свою очередь означает, что в пределах одной "вихревой" волны может располагаться бесконечное количество информационных потоков, которые в сумме образуют единый канал с неограниченной скоростью передачи данных.

Эти новые вихревые волны, обладающие большой информационной емкостью, имеют характеристику, известную как угловой орбитальный момент (Orbital Angular Momentum, OAM). В настоящее время многие физические протоколы передачи данных, такие как Wi-Fi и LTE используют модуляцию углового спин-момента (spin angular momentum, SAM), но не OAM. Для того, что бы читатели смогли понять разницу между этими двумя характеристиками, приведу наглядный пример. Ближайшим аналогом SAM-момента является вращение Земли вокруг своей оси. В этом случае OAM-моментом является вращение Земли вокруг Солнца, т.е. не просто вращение, но и физическое перемещение в пространстве.
OAM-момент явился как раз тем неиспользованным ранее "измерением" электромагнитного сигнала, в котором инженерам удалось сложить множество сигналов, модуляция которых осуществлялась модуляцией SAM-момента. Другими словами говоря, ученым из Тель-Авивского университета, университета Южной Калифорнии и Лаборатории НАСА по изучению реактивного движения, используя сложную оптическую систему из поляризационных фильтров и других устройств, удалось "скрутить" в единый луч света восемь разных лучей света отличающихся друг от друга значением OAM-момента. Сложив скорости передачи всех восьми лучей в одно целое ученые получили скорость передачи данных в 2.5 терабита в секунду или 320 гигабайт в секунду, что эквивалентно передаче за одну секунду содержимого семи Blu-ray дисков.

К сожалению, пока ученым удалось добиться устойчивой передачи данных с такой невероятной скоростью на расстояние всего одного метра, что делает такую технологию негодной для практического применения для организации беспроводных сетей. Но для волоконно-оптических сетей, которые уже вплотную подобрались к своим физическим ограничениям, использование технологии такого необычного мультиплексирования позволит практически безболезненно увеличить пропускную способность существующих каналов в несколько раз.