Jakmile je výkonnostní bariéra, materiální záležitost může zlepšit telekomunikace

Ben McLeish - The Innovation War CZ (Smět 2019).

Anonim

Vědci, kteří studují a manipulují chování materiálů na atomové úrovni, objevili způsob, jak vytvořit tenký materiál, který zvyšuje tok mikrovlnné energie. Pokrok, který by mohl zlepšit telekomunikace, vrhá nové světlo na strukturální rysy, které jsou obecně považovány za statické a překážky, které, když jsou dynamické, jsou skutečně klíčové pro zvláštní schopnosti materiálu.

Objev, ohlásený v časopise Nature, ukazuje, jak se stěny domény - přirozeně se vyskytující hranice, oddělující atomy různými směry relativního posunutí, které vytvářejí dipoly v materiálu - mohou být skutečně vstupní branou pro přístup k mnohem širšímu rozsahu elektromagnetických frekvencí. A tento přístup může jednou rozšířit rozsah frekvencí používaných jako komunikační kanály.

Vědci z Drexelské univerzity, Univerzity Bar-Ilan v Izraeli, Kalifornské univerzity v Berkeley, Kalifornské univerzity v Santa Barbara, Carnegieho ústavu pro vědu a University of Pennsylvania ukázali, jak lze navrhnout feroelektrický materiál takovým způsobem, že stěny domény mohou být použity k přenosu mikrovlny s vyšším stupněm řízení frekvence než mobilní zařízení, která v současné době používáme.

"Vzhledem k tomu, že spotřebitelská poptávka po mobilních komunikacích stoupá, dostupnost bezdrátového spektra je stále více přetížená a nové technologie jsou potřebné k vytvoření adaptivních frekvenčně agilních antén, " řekl Robert York, profesor UC Santa Barbara a spoluautor článku. "Možné řešení by mohlo být přizpůsobitelné dielektrické materiály."

Použití stěn domény v materiálu ke zvýšení kvality přenosu je obzvláště neočekávaným přístupem, protože přítomnost těchto hranic má tendenci výrazně snížit schopnost materiálu projít mikrovlnným elektromagnetickým polem. Dosud byly nejlepší filmové materiály pro přenos elektromagnetických polí v radiofrekvenčních zařízeních obecně považovány za monokryštálové materiály, které nemají žádné trvalé dipólové momenty - natož domény.

Ale výzkumný tým změnil toto vnímání doménových stěn na hlavu tím, že vytvořil feroelektrický materiál s vysokou hustotou doménových stěn, který může překonat jednotlivé krystaly, pokud jde o laditelnost a kvalitu přenosu.

Skupina zjistila, že stěny domény tenkého filmu barnatého stroncia titaničitého, často studovaného feroelektrického materiálu, fungují jako vibrační kytarové struny, které společně rezonují. Spíše než absorbování nebo rozptýlení mikrovln, přítomnost husté, ale uspořádané houštiny oscilačních doménových stěn ve skutečnosti zlepšuje kvalitu přenosu.

"Dokonce i nejkvalitnější monokrystaly bez trvalých reorientovatelných dipólů mají vyšší ztráty při vyšších frekvencích kvůli interferenci způsobenému vibracemi atomů v mříži, " řekl Jonathan Spanier, profesor vědy o materiálech u Drexel, který vedl výzkum. "Filmové materiály s trvalými dipóly vytvářejí doménové zdi a ztráta je mnohem horší, ale filmy, které podporují pohyb reverzibilní stěny domény a jejich oscilační chování překvapivě narušují tento trend a rezonují na širokém spektru frekvencí."

Podle výzkumníků "blízkost a přístupnost mezi termodynamicky předpokládanými kmenem indukovanými feroelektrickými stěnovými variantami pro dosažení gigahertzové mikrovlnné laditelnosti a dielektrické ztráty, které překonávají ty, které jsou pro současné nejlepší filmové přístroje o 1-2 řády, dosahují hodnot srovnatelných k hromadným jednoduchým krystalům, ale do vnitřně laděného materiálu, "píší v papíře.

Klíčem k této mimořádné slučitelnosti, podle spoluautora Zongquana Gu, postdoktorského vědce ve výzkumné skupině společnosti Spanier, je množství různých fází, "teplota přechodu feroelektrické fáze znamená nástup trvalého dipolárního uspořádání. citlivost, termodynamická vlastnost související s velikostí kapacity, je charakteristickým znakem přechodu, "řekl Gu. "Inženýrství filmového materiálu, který má v blízkosti přechodu mnoho, snadněji dostupných" fází ", umožňuje materiálu dosáhnout mnohem vyššího vyladění kapacity se stejným napětím."

Spanier, Gu a Geoffrey Xiao, vysokoškolský student ve společnosti Drexel, zahájili teoretické a simulační úsilí o předpovědi energetických krajin bohatých na stěny domény, aby nasměrovali výrobu doménového filmu barium-stroncium titanate bohatého na stěny. Spanierovi kolegové v Berkeley vedli Lane Martin, profesor vědy o materiálech, vůdce filmové vědy v oblasti feroelektrických domén, a Gu také vytvořil a charakterizoval první vzorky materiálu pomocí procesu nazývaného kinematografie, který vytvořil hustou koncentraci domény stěny.

Odtud spolupracovníci z Bar-Ilan University v Izraeli vedli Ilya Grinbergová, profesorka chemie, simulovala dynamické chování speciálního filmového materiálu v atomovém měřítku při různých hodnotách teploty, napětí a elektrického pole, porovnáním s tím, "dokonalý" feroelektrický krystal bez doménových stěn - což odhalilo mimořádné chování materiálu.

Tato skutečná ladění, což znamená, že vynikající přenosové schopnosti materiálu nevyžadují žádné vnější, elektromechanické vylepšení, což slibuje použití v komunikačních zařízeních - kde je nezbytný účinný přístup k spektru.

UC Santa Barbara, York, profesor elektrotechniky a počítačového inženýrství, a jeho doktorand Cedric Meyers, vyrobili zkušební struktury elektrod, které umožnily měření a analýzu rezonanční mikrovlnné odezvy materiálu včetně jeho laditelnosti.

"Laditelné dielektrické materiály byly v mé skupině v UCSB od konce devadesátých let zaměřeny na vyšetřování, " řekl York. "Přestože jsme se brzy pokoušeli o nějaký pokrok, neustále jsme se potýkali s omezeními materiálů, které byly špatně pochopeny. Tato práce pomáhá lépe porozumět těmto omezením a identifikovat možná řešení."

menu
menu