Los investigadores de la Universidad Case Western Reserve están desarrollando "parches" atómicamente delgados capaces de recibir y transmitir señales a través de un rango de frecuencia de radio mucho mayor de lo que podemos escuchar con el oído humano.
Pero el parche es decenas de billones de veces 10 seguidos por 12 ceros más pequeño en volumen y 100,000 veces más delgado que el tímpano humano.
Es probable que los avances contribuyan a que la próxima generación de dispositivos de comunicaciones y sensoriales de ultra baja potencia sea más pequeña y con mayores rangos de detección y sintonización.
"La detección y la comunicación son clave para un mundo conectado", dijo Philip Feng, profesor asociado de ingeniería eléctrica y ciencias de la computación y autor correspondiente en un documento sobre el trabajo publicado el 30 de marzo en la revista Avances científicos . "En las últimas décadas, hemos estado conectados con dispositivos y sistemas altamente miniaturizados, y hemos estado buscando tamaños cada vez más reducidos para esos dispositivos".
El desafío con la miniaturización: también lograr un rango dinámico de detección más amplio, para señales pequeñas, como sonido, vibración y ondas de radio.
"Al final, necesitamos transductores que puedan manejar señales sin perder o comprometer información tanto en el 'techo de señal' el nivel más alto de una señal no distorsionada como en el 'piso de ruido' el nivel detectable más bajo", Fengdijo.
Si bien este trabajo no se orientó hacia dispositivos específicos actualmente en el mercado, según los investigadores, se centró en mediciones, límites y escalas que serían importantes para todos los transductores
Esos transductores pueden desarrollarse durante la próxima década, pero por ahora, Feng y su equipo ya han demostrado la capacidad de sus componentes clave, los parches o resonadores de capa atómica, a la escala más pequeña.
El trabajo representa el rango dinámico más alto reportado para transductores de vibración de su tipo. Hasta la fecha, ese rango solo había sido alcanzado por transductores mucho más grandes que operan a frecuencias mucho más bajas, como el tímpano humano, por ejemplo.
"Lo que hemos hecho aquí es mostrar que algunos resonadores electromecánicos de cabeza de tambor atómicamente finos miniaturizados pueden ofrecer un rango dinámico notablemente amplio, hasta ~ 110dB, en frecuencias de radio RF de más de 120MHz", dijo Feng ".Estos rangos dinámicos en RF son comparables al amplio rango dinámico de la capacidad de audición humana en las bandas de audio ".
Nuevo estándar dinámico
Feng dijo que la clave de todos los sistemas sensoriales, desde las funciones sensoriales naturales en animales hasta los dispositivos sofisticados en ingeniería, es ese rango dinámico deseado.
El rango dinámico es la relación entre el techo de la señal sobre el piso de ruido y generalmente se mide en decibelios dB.
Los tímpanos humanos normalmente tienen un rango dinámico de aproximadamente 60 a 100dB en el rango de 10Hz a 10kHz, y nuestra audición disminuye rápidamente fuera de este rango de frecuencia. Otros animales, como el gato doméstico común o la ballena beluga ver ilustración, pueden tenerrangos dinámicos comparables o incluso más amplios en bandas de frecuencias más altas.
Los parches vibratorios a nanoescala desarrollados por Feng y su equipo están hechos de capas atómicas de cristales semiconductores MoS de una, dos, tres y cuatro capas 2 copos, con un grosor de 0.7, 1.4, 2.1 y 2.8 nanómetros, con diámetros de solo 1 micrón
Los construyen exfoliando capas atómicas individuales del cristal semiconductor a granel y utilizando una combinación de técnicas de nanofabricación y micromanipulación para suspender las capas atómicas sobre microcavidades predefinidas en una oblea de silicio, y luego hacer contactos eléctricos a los dispositivos.
Además, estos resonadores de RF atómicamente delgados que se están probando en Case Western Reserve muestran una excelente "sintonización" de frecuencia, lo que significa que sus tonos se pueden manipular estirando las membranas del parche utilizando fuerzas electrostáticas, similares a la afinación de sonido en instrumentos musicales mucho más grandes en una orquesta, Dijo Feng.
El estudio también revela que estos parches increíblemente pequeños solo necesitan picovatios pW, 10 -12 vatios hasta nanovatios nW, 10 -9 Watt nivel de potencia de RF para mantener sus oscilaciones de alta frecuencia.
"No solo tienen un rango dinámico sorprendentemente grande con un volumen y una masa tan pequeños, también son dispositivos energéticamente eficientes y muy 'silenciosos'", dijo Feng, "los 'escuchamos' con mucho cuidado y 'hablamos' con ellos muysuavemente."
Los coautores del documento fueron: Jaesung Lee, investigador postdoctoral asociado de Case Western Reserve; Max Zenghui Wang, ex investigador asociado ahora en la Universidad de Ciencia y Tecnología Electrónica de China UESTC, Chengdu, China; KeliangÉl, ex estudiante de posgrado en física, ahora ingeniero senior en Nvidia; Rui Yang, ex estudiante de posgrado y ahora erudito postdoctoral en la Universidad de Stanford; y Jie Shan, ex profesor de física en Case Western Reserve ahora en la Universidad de Cornell..
El trabajo ha sido financiado por el Premio de Fronteras de Ingeniería de la Fundación Grainger de la Academia Nacional de Ingeniería Subvención: FOE 2013-005 y el Premio CARRERA de la Fundación Nacional de Ciencias Subvención: ECCS-1454570.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad Case Western Reserve . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
Referencia del diario :
Cita esta página :