Портал функционирует при финансовой поддержке Федерального агентства по печати и массовым коммуникациям.

Бюро научно-технической информации. Май 2020 №5

Свет красной области спектра используют для стимуляции роста растений. Фото: РИАТ.
Первая ЭВМ на основе троичной логики — малая ЭВМ «Сетунь» — не нашла широкого применения. Теперь вычислительные машины, построенные на троичной логике, — мечта разработчиков. Фото: Letopis.msu.ru.

Городской огород без солнечного света

В Ивановской области разработали технологию выращивания томатов и огурцов при полном отсутствии естественного освещения. При этом урожайность достигла уровня передовых тепличных комбинатов.

Речь идёт о выращивании овощей в закрытых помещениях. Обычно в таких многоярусных (вертикальных) фермах выращивают низкорослые виды растений, такие как салат, пряновкусовые травы и горшечные виды цветочных культур. Ивановские овощеводы круглогодично производят томаты и огурцы, высота растений которых составляет 3,5 м.

Свет растениям обеспечивает комбинация светодиодов LED — используется верхнее и межрядное освещение. При этом разные культуры находятся в разных световых условиях, необходимых для их успешного развития. Агрономы могут тонко настраивать уровни освещённости, спектры светового потока, период досвечивания и расположение светильников.

В ходе многолетних исследований овощеводы выяснили, что красный спектр стимулирует рост клеток и тканей растений, а синий — процессы дифференциации клеток при развитии — во время закладки кистей, образования побегов, цветения, корнеобразования. Комбинация красного и синего с добавлением белого и других спектров света в светодиодных модулях создаёт условия освещения, максимально приближенные к естественным. Таким образом растения получают свет диапазона фотосинтетической активной радиации. Кроме того, синий и белый спектры привлекают шмелей, которые успешно опыляют растения, как в обычных теплицах.

Помимо возможности подобрать нужный спектр и равномерно распределить световой поток, светодиодное освещение позволяет снизить потребление электроэнергии в среднем почти в два раза по сравнению с традиционными источниками освещения. Срок службы LED-светильников, как показала практика, достигает 50 000 часов, что в несколько раз больше срока службы натриевых ламп высокого давления, которые сейчас применяются в растениеводстве защищённого грунта. В результате сокращаются и эксплуатационные затраты на замену ламп и светильников.

Жизненный цикл растений в данном производстве гораздо длиннее, чем в обычных теплицах. Например, для огурца он составляет от 38 до 42 недель без пиков и падений урожайности. Еженедельно овощеводы собирают от 2,7 до 3,2 кг огурцов с квадратного метра, томатов — 1,7 кг/м2. Кроме того, подобное производство расположилось прямо в центре города Иваново, что даёт возможность доставлять томаты, огурцы и 19 видов зеленных культур в магазины собственной сети в течение часа после сбора.

Чернила для перовскитных солнечных элементов

Сегодня эффективность кремниевых солнечных батарей достигла максимума, а стоимость их производства — минимума. Поэтому специалисты всего мира ведут активный поиск новых материалов для солнечной энергетики. Гибридные органо-неорганические перовскиты — одни из немногих материалов, которые в будущем могут помочь сделать солнечную энергию по-настоящему доступной. Солнечные элементы на их основе, так называемые перовскитные солнечные элементы, буквально за 10 лет с момента их изобретения обогнали батареи на основе поликристаллического кремния по КПД.

Одна из задач перовскитной фотовольтаики — разработка новых методов для получения плёнок гибридных перовскитов большой площади. Молодые учёные из лаборатории новых материалов для солнечной энергетики факультета наук о материалах (ФНМ) МГУ им. М. В. Ломоносова при участии коллег из Национального института передовых промышленных наук и технологий (AIST, Япония) предложили новый способ для производства перовскитных солнечных элементов большой площади — с помощью нанесения спиртовых растворов реакционных органических полигалогенидов на плёнки металлического свинца.

В отличие от классических методов получения гибридных перовскитов, в данном подходе не используются токсичные растворы солей свинца в органических растворителях, а кристаллизация высококачественных плёнок значительно ускоряется и упрощается за счёт использования уникального прекурсора — растворов реакционных полигалогенидов, которые были открыты в 2016 году в лаборатории новых материалов для солнечной энергетики ФНМ МГУ.

Материаловеды разработали жидкие реакционные чернила, нанесение которых на металлический свинец позволяет контролируемо получать высококачественные плёнки гибридных перовскитов разных составов. С использованием данного подхода изготовлены планарные перовскитные солнечные элементы с КПД более 17%.

Сотрудники ФНМ МГУ планируют развивать данную технологию для получения высокоэффективных перовскитных солнечных модулей увеличенной площади.

Материал с троичной логикой для новой электроники

Современные процессоры потребляют много энергии, физически отделены от ячеек памяти, а их эффективность ограничена двоичной логикой («1» — «0», «включён» — «выключен»). Это три главные причины, которые препятствуют дальнейшему развитию вычислительной техники по пути миниатюризации и быстродействия.

Сотрудники Школы естественных наук Дальневосточного федерального университета (ШЕН ДВФУ, Владивосток), Национального исследовательского Южно-Уральского государственного университета (Челябинск) совместно с коллегами из Китайской академии наук разработали материал с крестообразной микроструктурой, которая состоит из нанометровых слоёв платины, кобальта (всего 0,8 нм), оксида магния и покрывающего слоя платины.

Такая структура может быть и процессором, и блоком памяти одновременно, что способствует миниатюризации устройств, реализованных на её платформе: работающих на троичной логике устройств электроники и спинтроники (электроники, функционирующей на спиновом токе), в том числе квантовых процессоров, оперирующих кутритами (три состояния, в отличие от кубитов), и нейроморфных систем, имитирующих функционал головного мозга.

Благодаря определённой последовательности слоёв и переключению спинов электронов в нижнем слое платины можно эффективно управлять тремя магнитными состояниями в слое кобальта (со спинами вверх, со спинами вниз и со случайным расположением спинов), которые соответствуют основным позициям троичной логики («–1», «1» и «0» или «да» — «нет» — «не знаю»). Троичная логика (логика Аристотеля) намного превосходит двоичную, булеву логику («0» — «1»). Принципы троичной логики могут лечь в основу вычислительных машин недалёкого будущего. Эти устройства будут обладать более высокой скоростью работы, длительным сроком жизни и низким энергопотреблением по сравнению с устройствами, реализованными на других принципах.

Чтобы получить спиновый ток, управляющий разными магнитными состояниями в слое кобальта, разработчики пропускали по нижнему слою платины два перекрёстных (движущихся под прямым углом друг к другу) тока в виде коротких импульсов и использовали магнитное поле, лежащее в плоскости слоя, нарушающее магнитную симметрию.

В результате спины электронов с разной полярностью (ориентированные вверх и вниз, что соответствует позициям «1» и «0») отклонялись к противоположным поверхностям слоя платины — в ней возникал чистый спиновый ток, который оказывал влияние на спины электронов магнитного слоя. При определённых условиях происходил переворот спинов в слое кобальта, то есть ячейка переключалась с «0» на «1», как в полупроводниковом транзисторе.

Выяснилось, что в предложенной слоистой структуре можно контролировать и другие промежуточные устойчивые магнитные состояния, что пригодится для реализации нейроморфных устройств. Более того, появилась возможность реализации в одной микроструктуре набора логических операций «И», «ИЛИ», «НЕ—И» и «НЕ—ИЛИ». Причём этого можно достичь, используя определённую последовательность перекрёстных токов, а не полупроводниковые устройства (транзисторы, диоды), как это происходит сейчас. В перспективе это тоже будет работать на миниатюризацию устройств.

Разработчики признают, что на пути к реальным устойствам спинтроники и нейроморфным системам на основе троичной логики надо приложить ещё много усилий. Во-первых, требуется избавиться от постоянного магнитного поля, которое применяется для нарушения магнитной симметрии. Во-вторых, нужно уменьшить размер ячейки до 100—200 нм, чтобы реализовать высокую плотность упаковки элементов на микросхеме. В-третьих, предстоит решить задачу по точному считыванию состояния магнитного слоя, для чего нужны высокочувствительные сенсоры, работающие на основе эффекта туннельного магнитосопротивления.

Первая ЭВМ на троичной логике была разработана в СССР ещё в 1959 году. Проект назывался «Сетунь» и был реализован научной группой под руководством профессора Н. П. Брусенцова (МГУ им. М. В. Ломоносова). Однако ЭВМ «Сетунь» не получила широкого признания, несмотря на ряд преимуществ перед машинами, которые работали на основе двоичной логики.

Другие статьи из рубрики «БНТИ (Бюро научно - технической информации)»