Un componente básico de la tecnología moderna, los inductores están en todas partes: teléfonos celulares, computadoras portátiles, radios, televisores, automóviles. Y sorprendentemente, son esencialmente los mismos hoy que en 1831, cuando fueron creados por primera vez por el científico inglés Michael Faraday.
El tamaño particularmente grande de los inductores fabricados de acuerdo con el diseño de Faraday es un factor limitante en la entrega de dispositivos miniaturizados que ayudarán a aprovechar el potencial de Internet de las cosas, que promete conectar a las personas con unos 50 mil millones de objetos para 2020. Ese alto objetivose espera que tenga un impacto económico estimado entre $ 2.7 y $ 6.2 billones anuales para 2025.
Ahora, un equipo de la UC Santa Bárbara, dirigido por Kaustav Banerjee, profesor del Departamento de Ingeniería Eléctrica e Informática, ha adoptado un enfoque basado en materiales para reinventar este componente fundamental de la electrónica moderna. Los hallazgos aparecen en la revista Electrónica de la naturaleza .
Banerjee y su equipo de UCSB - autor principal Jiahao Kang, Junkai Jiang, Xuejun Xie, Jae Hwan Chu y Wei Liu, todos miembros de su Laboratorio de Investigación de Nanoelectrónica - trabajaron con colegas del Instituto de Tecnología Shibaura en Japón y Shanghai Jiao TongUniversidad en China para explotar el fenómeno de la inductancia cinética para demostrar un tipo de inductor fundamentalmente diferente.
Todos los inductores generan inductancia tanto magnética como cinética, pero en los conductores metálicos típicos, la inductancia cinética es tan pequeña que no se nota. "La teoría de la inductancia cinética se conoce desde hace mucho tiempo en la física de la materia condensada, pero nadie la ha usado nunca parainductores, porque en los conductores metálicos convencionales, la inductancia cinética es insignificante ", explicó Banerjee.
A diferencia de la inductancia magnética, la inductancia cinética no depende del área de la superficie del inductor. Más bien, la inductancia cinética resiste las fluctuaciones de corriente que alteran la velocidad de los electrones, y los electrones resisten dicho cambio de acuerdo con la ley de inercia de Newton.
Históricamente, a medida que la tecnología de los transistores e interconexiones que los unen ha avanzado, los elementos se han vuelto más pequeños. Pero el inductor, que en su forma más simple es una bobina metálica enrollada alrededor de un material central, ha sido la excepción.
"Los inductores en chip basados en la inductancia magnética no pueden reducirse de la misma manera que los transistores o las interconexiones escalan, porque se necesita una cierta cantidad de área de superficie para obtener un determinado flujo magnético o valor de inductancia", explicó el autor principal Kang,recientemente completó su doctorado bajo la supervisión de Banerjee.
El equipo de UCSB diseñó un nuevo tipo de inductor espiral compuesto de múltiples capas de grafeno. El grafeno de una sola capa exhibe una estructura de banda electrónica lineal y un tiempo de relajación de momento MRT correspondientemente grande, unos pocos picosegundos o más en comparación con esode conductores metálicos convencionales como el cobre utilizado en los inductores tradicionales en chip, que oscila entre 1/1000 y 1/100 de un picosegundo. Pero el grafeno de una sola capa tiene demasiada resistencia para su aplicación en un inductor.
Sin embargo, el grafeno multicapa ofrece una solución parcial al proporcionar menor resistencia, pero los acoplamientos entre capas hacen que su MRT sea insuficientemente pequeño. Los investigadores superaron ese dilema con una solución única: insertaron químicamente átomos de bromo entre las capas de grafeno, un proceso llamadointercalación: eso no solo redujo aún más la resistencia sino que también separó las capas de grafeno lo suficiente como para desacoplarlas esencialmente, extendiendo el MRT y, por lo tanto, aumentando la inductancia cinética.
El inductor revolucionario, que funciona en el rango de 10-50 GHz, ofrece una densidad media y media de inductancia de un inductor tradicional, lo que lleva a una reducción de un tercio en el área al tiempo que proporciona una eficiencia extremadamente alta., la alta inductancia y el tamaño reducido habían sido una combinación esquiva.
"Hay mucho espacio para aumentar aún más la densidad de inductancia al aumentar la eficiencia del proceso de intercalación, que ahora estamos explorando", dijo el coautor Jiang.
"Básicamente, diseñamos un nuevo nanomaterial para presentar la 'física oculta' de la inductancia cinética a temperatura ambiente y en un rango de frecuencias operativas destinadas a las comunicaciones inalámbricas de próxima generación", agregó Banerjee.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de California - Santa Bárbara . Original escrito por James Badham. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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