I ricercatori della Case Western Reserve University stanno sviluppando "teste di tamburo" atomicamente sottili in grado di ricevere e trasmettere segnali attraverso una gamma di frequenze radio molto più ampia di quella che possiamo sentire con l'orecchio umano.

Ma la pelle del tamburo è decine di trilioni di volte (10 seguita da 13 zeri) più piccola di volume e 100, 000 volte più sottile del timpano umano.

I progressi probabilmente contribuiranno a rendere la prossima generazione di comunicazioni a bassissima potenza e dispositivi sensoriali più piccoli e con maggiori intervalli di rilevamento e sintonizzazione.

"Il rilevamento e la comunicazione sono la chiave per un mondo connesso, " ha detto Philip Feng, un professore associato di ingegneria elettrica e informatica e autore corrispondente su un articolo sul lavoro pubblicato il 30 marzo sulla rivista Progressi scientifici . "Negli ultimi decenni, siamo stati collegati con dispositivi e sistemi altamente miniaturizzati, e abbiamo perseguito dimensioni sempre più ridotte per quei dispositivi."

La sfida con la miniaturizzazione:ottenere anche una gamma dinamica più ampia di rilevamento, per piccoli segnali, come il suono, vibrazione, e onde radio.

"Alla fine, abbiamo bisogno di trasduttori in grado di gestire i segnali senza perdere o compromettere le informazioni sia al "signal ceiling" (il livello più alto di un segnale non distorto) che al "noise floor" (il livello più basso rilevabile), " ha detto Feng.

Sebbene questo lavoro non fosse orientato verso dispositivi specifici attualmente sul mercato, ricercatori hanno detto, era incentrato sulle misurazioni, limiti e scalatura che sarebbero importanti essenzialmente per tutti i trasduttori.

Questi trasduttori potrebbero essere sviluppati nel prossimo decennio, ma per ora, Feng e il suo team hanno già dimostrato la capacità dei loro componenti chiave, le pelli di tamburi a strato atomico oi risonatori, su scala ancora più piccola.

Il lavoro rappresenta il più alto range dinamico riportato per trasduttori vibranti del loro tipo. Ad oggi, quella gamma era stata raggiunta solo da trasduttori molto più grandi che operavano a frequenze molto più basse, come il timpano umano, Per esempio.

"Quello che abbiamo fatto qui è mostrare che alcuni alla fine hanno miniaturizzato, i risuonatori elettromeccanici atomicamente sottili possono offrire una gamma dinamica notevolmente ampia, fino a ~110dB, a frequenze radio (RF) fino a oltre 120MHz, " Feng ha detto. "Queste gamme dinamiche a RF sono paragonabili all'ampia gamma dinamica della capacità uditiva umana nelle bande audio".

Nuovo standard dinamico

Feng ha affermato che la chiave di tutti i sistemi sensoriali, dalle funzioni sensoriali naturali negli animali ai dispositivi sofisticati nell'ingegneria, è la gamma dinamica desiderata.

La gamma dinamica è il rapporto tra il soffitto del segnale e il rumore di fondo e viene solitamente misurato in decibel (dB).

I timpani umani normalmente hanno una gamma dinamica da circa 60 a 100 dB nell'intervallo da 10 Hz a 10 kHz, e il nostro udito diminuisce rapidamente al di fuori di questa gamma di frequenze. Altri animali, come il gatto domestico comune o la balena beluga (vedi illustrazione), possono avere gamme dinamiche comparabili o addirittura più ampie nelle bande di frequenza più alte.

Le pelli vibranti su nanoscala sviluppate da Feng e dal suo team sono costituite da strati atomici di cristalli semiconduttori (singoli, bi-, tri-, e fiocchi di MoS2 a quattro strati, con spessore di 0,7, 1.4, 2.1, e 2,8 nanometri), con diametri solo di circa 1 micron.

Li costruiscono esfoliando singoli strati atomici dal cristallo semiconduttore sfuso e utilizzando una combinazione di tecniche di nanofabbricazione e micromanipolazione per sospendere gli strati atomici su microcavità predefinite su un wafer di silicio, e quindi stabilire contatti elettrici con i dispositivi.

Ulteriore, questi risonatori RF atomicamente sottili in fase di test presso la Case Western Reserve mostrano un'eccellente "sintonizzabilità" della frequenza, " il che significa che i loro toni possono essere manipolati allungando le membrane della pelle del tamburo usando forze elettrostatiche, simile all'accordatura del suono in strumenti musicali molto più grandi in un'orchestra, Feng ha detto.

Lo studio rivela anche che queste pelli incredibilmente piccole necessitano solo di picoWatt (pW, 10^-12 Watt) fino a nanoWatt (nW, 10^-9 Watt) livello di potenza RF per sostenere le loro oscillazioni ad alta frequenza.

"Non solo avere una gamma dinamica sorprendentemente ampia con un volume e una massa così piccoli, sono anche dispositivi ad alta efficienza energetica e molto 'silenziosi'", Feng ha detto, "Li 'ascoltiamo' con molta attenzione e 'parliamo' con loro molto gentilmente".