Сегнетоэлектрики увеличат плотность записи информации в 100 раз
Физики из университетов Сиднея и Вулонгонга разработали метод, позволяющий бесконтактно переключать поляризацию в отдельных доменах сегнетоэлектрика. По словам авторов, это позволит по меньшей мере в сто раз увеличить плотность записи информации по сравнению с современными устройствами. Исследование опубликовано в журнале Physical Review Letters, кратко о нем сообщает Physics.
Сегнетоэлектрики — материалы, внутри которых может возникать и поддерживаться диэлектрическая поляризация. Это явление обычно связано с существованием внутри диэлектриков (непроводящих материалов, например, пластика) электрического поля, направленного в противоположном направлении, по отношению ко внешнему полю. В сегнетоэлектриках это поле может поддерживаться даже после отключения внешнего поля.
Память на основе тонких слоев сегнетоэлектриков основана на том, что эти материалы можно разбить на небольшие домены, поляризация внутри которых может быть независима от поляризации в окружающем веществе. Для кодирования в доменах нулей и единиц поляризацию можно направлять вверх или вниз внутри слоя. Одной из главных проблем технологии является отсутствие надежного метода записи информации — изменения поляризации домена.
В существующих методиках для записи информации в домен необходимо прикоснуться к нему острой заряженной иглой. Это создает сильное электрическое поле, меняющее поляризацию в материале. Вместе с тем, физическое прикосновение повреждает тонкий слой сегнетоэлектрика или иглу, что со временем ухудшает работоспособность элемента памяти.
В новой работе авторы предложили переключать поляризацию в сегнетоэлектрическом домене без физического контакта с ним. По словам ученых, для этого можно использовать электронные пучки, например, слетающие с острия металлической иглы. В теории, таким образом можно работать с доменами размером в пять нанометров — в десять раз меньше, чем в современных коммерчески доступных устройствах. Это соответствует стократному росту плотности записи информации.
Ученые продемонстрировали методику на тонких кристаллах манганита иттрия (YMnO3). Поляризация в них может быть направлена в одном из двух направлений. В качестве источника электронов авторы использовали 200-нанометровый пучок просвечивающего электронного микроскопа с повышенной энергией. Электроны, проходя сквозь материал, создавали интенсивное электрическое поле, которое было направлено от центра пучка. Его силы было достаточно для того, чтобы поменять поляризацию в одном домене, поляризация которого изначально была направлена против поля, создаваемого пучком. По словам физиков, поляризация сохранялась даже через месяц после «записи информации».
Как отмечают авторы, для того, чтобы воплотить методику в жизнь, потребуется создать миниатюрные источники электронных пучков. Другая проблема, которую подчеркивает Такао Мацумото, независимый эксперт из Университета Токио, не переключится ли поляризация соседнего домена вместе с тем, куда происходит запись информации. Физики считают, что даже если технологию не удастся использовать для записи информации, новые методики позволят лучше изучить сегнетоэлектрики и поведение их доменов.
С развитием техники и миниатюризацией компьютеров происходит рост плотности записи информации. На современных магнитных носителях, таких как HDD, существует фундаментальный предел плотности записи — минимальный размер магнитного домена. Для того, чтобы его обойти ученые ищут другие носители информации. К примеру, хранить данные можно в ДНК — недавно в ее молекулах записали около 200 мегабайт данных. Но и в традиционных магнитных материалах еще есть потенциал роста — использование ячеек, способных находиться в одном из шести, а не двух состояний.
Владимир Королёв
Его система управления автоматически находит оптимальные точки в воздушных потоках
Инженеры разработали алгоритм управления для беспилотников самолетного типа, который позволяет парить на восходящих воздушных потоках, расходуя в 150 раз меньше энергии, чем при активном полете с работающим двигателем. Алгоритм отслеживает и подстраивается под непрерывно изменяющиеся воздушные потоки, сохраняя высоту. Препринт доступен на arXiv.org. При поддержке Angie — первого российского веб-сервера Беспилотники самолетного типа более энергоэффективны, чем мультикоптеры. Благодаря крыльям они способны преодолевать большие дистанции и могут гораздо дольше находиться в воздухе. Причем эти параметры могут быть увеличены за счет парения — планирующего полета, в котором аппарат использует восходящие воздушные потоки для удержания в воздухе без использования тяги двигателей, аналогично тому, как это делают некоторые птицы. Группа инженеров под руководством Гвидо де Круна (Guido de Croon) из Делфтского технического университета разработала систему управления, которая позволяет беспилотникам самолетного типа без какой-либо предварительной информации о поле ветра самостоятельно находить оптимальные точки в восходящих воздушных потоках и использовать их для длительного парения с минимальным расходом энергии. В системе управления вместо обычного ПИД-регулятора используется метод инкрементальной нелинейной динамической инверсии, контролирующий угловое ускорение, подстраивая его под желаемые значения. Система управления может без изменения настроек работать и в режиме парения, и при полете с включенным двигателем во время поиска новых оптимальных точек в воздушных потоках или для компенсации резких порывов ветра. Для поиска оптимальных точек в поле ветра, в которых скорость снижения полностью компенсируется восходящим потоком воздуха, применяется алгоритм имитации отжига. Он случайно выбирает направления в пространстве пытаясь найти такую точку, в которой беспилотник может устойчиво лететь с минимально возможной тягой двигателя. Для тестов инженеры построили 3D-печатный прототип на основе модели радиоуправляемого самолета Eclipson model C. Он имеет размах крыла 1100 миллиметров и массу 716 грамм вместе с аккумуляторной батареей. В качестве полетного контроллера применяется Pixhawk 4. Помимо установленного под крылом и откалиброванного в аэродинамической трубе сенсора скорости, беспилотник имеет GPS-модуль для отслеживания положения во время полетов на открытом воздухе. В помещении применяется оптическая система Optitrack. Испытания проводились в аэродинамической трубе, возле которой установили наклонную рампу, для создания восходящего воздушного потока. Прототип запускали в воздушном потоке сначала на ручном управлении, после чего включали автопилот. Разработчики провели эксперименты двух типов. В первом они постепенно изменяли скорость воздушного потока от 8,5 до 9,8 метров в секунду при фиксированном угле наклона рампы. Во втором эксперименте скорость воздушного потока оставалась неизменной, зато менялся угол установки подиума. В обоих случаях алгоритм системы управления быстро находил в поле ветра точки, в которых мог поддерживать планирующий полет в течение более чем 25 минут, лишь изредка задействуя тягу двигателя в среднем лишь на 0,25 процента от максимальной, хотя при таких значениях воздушного потока для поддержания обычного полета требуется около 38 процентов. При изменении поля ветра из-за изменившегося угла наклона рампы или скорости воздушного потока алгоритм успешно находил и удерживал новое положение равновесия. В будущем инженеры планируют провести испытания на открытом воздухе. https://www.youtube.com/watch?v=b_YLoinHepo Американские инженеры и планетологи предложили использовать планер, способный длительное время держаться в воздухе за счет восходящих потоков и термиков, для изучения каньонов Марса. Предполагается, что такие аппараты с надувными разворачиваемыми крыльями могут стартовать с аэростата или дирижабля и затем планировать в атмосфере Марса от 20 минут до суток.