Gli ingegneri di UCLA Samueli hanno sviluppato un nuovo strumento per modellare come i materiali magnetici, che vengono utilizzati in smartphone e altri dispositivi di comunicazione, interagire con i segnali radio in ingresso che trasportano dati. Prevede accuratamente queste interazioni fino alle scale nanometriche necessarie per costruire tecnologie di comunicazione all'avanguardia.

Lo strumento consente agli ingegneri di progettare nuove classi di componenti basati su radiofrequenza in grado di trasportare grandi quantità di dati più rapidamente, e con meno interferenze di rumore. I casi d'uso futuri includono dagli smartphone ai dispositivi di monitoraggio sanitario impiantabili.

I materiali magnetici possono attrarsi o respingersi a vicenda in base al loro orientamento polare:le estremità positive e negative si attraggono, mentre due positivi o due negativi si respingono. Quando un segnale elettromagnetico come un'onda radio passa attraverso tali materiali, un materiale magnetico agisce come un custode, lasciando entrare i segnali che si desiderano, ma tenendo fuori gli altri. Possono anche amplificare il segnale, o smorzare la velocità e la forza del segnale.

Gli ingegneri hanno usato questi effetti simili a gatekeeper, chiamate "interazioni onda-materiale, " per realizzare dispositivi utilizzati da decenni nelle tecnologie di comunicazione. Ad esempio, questi includono circolatori che inviano segnali in direzioni specifiche o limitatori selettivi di frequenza che riducono il rumore sopprimendo la forza dei segnali indesiderati.

Gli attuali strumenti di progettazione non sono sufficientemente completi e precisi per catturare il quadro completo del magnetismo nei sistemi dinamici, come dispositivi impiantabili. Gli strumenti hanno anche dei limiti nella progettazione dell'elettronica di consumo.

"Il nostro nuovo strumento di calcolo affronta questi problemi offrendo ai progettisti di elettronica un percorso chiaro per capire come i potenziali materiali potrebbero essere utilizzati al meglio nei dispositivi di comunicazione, " disse Yuanxun "Ethan" Wang, un professore di ingegneria elettrica e informatica che ha guidato la ricerca. "Collega le caratteristiche dell'onda e del materiale magnetico, e gli utenti possono facilmente modellare gli effetti su scala nanometrica in modo rapido e accurato. Per quello che ci risulta, questo insieme di modelli è il primo a incorporare tutta la fisica critica necessaria per prevedere il comportamento dinamico".

Lo studio è stato pubblicato nel numero cartaceo di giugno 2018 di Transazioni IEEE su teoria e tecniche delle microonde .

Lo strumento di calcolo si basa su un metodo che risolve congiuntamente le note equazioni di Maxwell, che descrivono come funzionano l'elettricità e il magnetismo e l'equazione di Landau-Lifshitz-Gilbert, che descrive come la magnetizzazione si muove all'interno di un oggetto solido.

L'autore principale dello studio Zhi Yao è uno studioso post-dottorato nel laboratorio di Wang. I coautori sono Rustu Umut Tok, uno studioso post-dottorato nel laboratorio di Wang, e Tatsuo Itoh, un illustre professore di ingegneria elettrica e informatica presso l'UCLA e la Northrop Grumman Chair in Electrical Engineering. Itoh è anche il co-consulente di Yao.

Il team sta lavorando per migliorare lo strumento per tenere conto di più tipi di materiali magnetici e non magnetici. Questi miglioramenti potrebbero portarlo a diventare un "risolutore universale, " in grado di tenere conto di qualsiasi tipo di onda elettromagnetica che interagisce con qualsiasi tipo di materiale.

Il gruppo di ricerca di Wang ha recentemente ricevuto una sovvenzione di 2,4 milioni di dollari dalla Defense Advanced Research Project Agency per espandere la capacità di modellazione dello strumento per includere ulteriori proprietà dei materiali.