I ricercatori PFL hanno prodotto un sintonizzabile, dispositivo a base di grafene che potrebbe aumentare significativamente la velocità e l'efficienza dei sistemi di comunicazione wireless. Il loro sistema funziona a frequenze molto alte, offrendo risultati senza precedenti.

Le comunicazioni wireless sono disponibili in molte forme, come i telefoni cellulari che utilizzano la connettività 4G o 5G, dispositivi GPS, e computer collegati tramite Bluetooth a sensori portatili e operano in diverse bande di frequenza. Per lavorare su più piattaforme, gli oggetti connessi devono essere compatibili con tutta una gamma di frequenze senza essere appesantiti da hardware eccessivo.

Il più portatile, i sistemi wireless attualmente sono dotati di circuiti riconfigurabili che possono regolare l'antenna per trasmettere e ricevere dati nelle varie bande di frequenza. L'unico problema è che le tecnologie attualmente disponibili come MEMS e MOS, usando silicio o metallo, non funzionano bene alle alte frequenze. Ed è qui che i dati possono viaggiare molto più velocemente.

I ricercatori dell'EPFL hanno escogitato una soluzione sintonizzabile basata sul grafene che consente ai circuiti di funzionare sia a basse che ad alte frequenze con un'efficienza senza precedenti. Il loro lavoro è stato pubblicato in nanolettere .

La nuova soluzione a base di grafene, che è stato sviluppato nel Laboratorio di dispositivi nanoelettronici, è progettato per sostituire i condensatori sintonizzabili, che può essere trovato in tutti i dispositivi wireless. Il nuovo dispositivo "sintonizza" i circuiti su frequenze diverse in modo che possano operare su un'ampia gamma di bande di frequenza. Soddisfa anche altre esigenze che né i MEMS né i condensatori MOS possono:buone prestazioni ad alta frequenza, miniaturizzazione e la possibilità di essere sintonizzati utilizzando bassa energia.

I ricercatori dell'EPFL hanno superato questi ostacoli con un condensatore a base di grafene compatibile con i circuiti tradizionali. Il dispositivo consuma pochissima energia e, superiore a 2,1 GHz, supera facilmente i suoi concorrenti e ha un design miniaturizzato. "La superficie di un sistema MEMS convenzionale dovrebbe essere mille volte maggiore per ottenere il valore di capacità, ", ha detto Clara Moldova.

Come funziona?

La scoperta dei ricercatori si basa su un'intelligente struttura a sandwich che tiene conto delle caratteristiche uniche del grafene. "Quando il grafene è stato scoperto più di 10 anni fa, ha suscitato un vero scalpore, " ha detto moldavo. "Era considerato un materiale miracoloso:è un ottimo conduttore elettrico e termico ed è flessibile, leggero, trasparente e robusto. Ma i ricercatori hanno scoperto che era difficile da integrare nei sistemi elettronici perché il suo spessore atomico gli conferisce un'elevata resistenza effettiva".

La struttura a sandwich sfrutta il fatto che un gas bidimensionale di elettroni in un pozzo quantistico può comportarsi come una capacità quantistica. Questo perché segue il principio di esclusione di Pauli, secondo cui è necessaria una certa quantità di energia per riempire di elettroni un pozzo quantico. La capacità quantistica può essere facilmente misurata in uno strato di un singolo atomo di grafene, e il vantaggio chiave è che è sintonizzabile variando la densità di carica nel grafene con una tensione molto bassa.

"È applicando la tensione che possiamo "sintonizzare" i nostri condensatori su una determinata frequenza, proprio come sintonizzare una radio per ottenere stazioni diverse, " ha detto moldavo, l'autore principale dell'articolo.

Molti vantaggi

Il dispositivo dei ricercatori dell'EPFL, che è lunga e larga solo alcune centinaia di micrometri (circa 0,05 cm), può essere rigido o flessibile, è facilmente miniaturizzato, e consuma pochissima energia. Le potenziali applicazioni sono numerose. Oltre a migliorare il flusso di dati tra i dispositivi connessi, potrebbe prolungare la durata della batteria e portare a dispositivi sempre più compatti. Nel suo stato flessibile, potrebbe essere facilmente utilizzato in sensori posti nei vestiti o direttamente sul corpo umano. "I nostri risultati confermano che il grafene potrebbe davvero rivoluzionare il futuro delle comunicazioni wireless, ", ha detto moldavo.

La tecnologia finale sarà un ibrido in cui il grafene sarà abbinato a tecnologie avanzate al silicio. "Alcuni hanno affermato che il grafene un giorno sostituirà la tecnologia al silicio, " ha detto Adrian Ionescu, il capo del Nanolab. "Ma in realtà, il grafene è più efficace nel campo dell'elettronica quando è combinato con blocchi di silicio funzionali."