Un elemento fondamentale della tecnologia moderna, gli induttori sono ovunque:cellulari, computer portatili, radio, televisori, macchine. E sorprendentemente, sono sostanzialmente gli stessi oggi del 1831, quando furono creati per la prima volta dallo scienziato inglese Michael Faraday.

Le dimensioni particolarmente grandi degli induttori realizzati secondo il progetto di Faraday sono un fattore limitante nella consegna dei dispositivi miniaturizzati che aiuteranno a realizzare il potenziale dell'Internet of Things, che promette di connettere le persone a circa 50 miliardi di oggetti entro il 2020. Si prevede che questo ambizioso obiettivo avrà un impatto economico stimato tra $ 2,7 e $ 6,2 trilioni all'anno entro il 2025.

Ora, una squadra dell'UC Santa Barbara, guidato da Kaustav Banerjee, professore presso il Dipartimento di Ingegneria Elettrica e Informatica, ha adottato un approccio basato sui materiali per reinventare questo componente fondamentale dell'elettronica moderna. I risultati appaiono sulla rivista Elettronica della natura .

Banerjee e il suo team UCSB, l'autore principale Jiahao Kang, Junkai Jiang, Xuejun Xie, Jae Hwan Chu e Wei Liu, tutti i membri del suo laboratorio di ricerca sulla nanoelettronica hanno lavorato con i colleghi dello Shibaura Institute of Technology in Giappone e della Shanghai Jiao Tong University in Cina per sfruttare il fenomeno dell'induttanza cinetica per dimostrare un tipo di induttore fondamentalmente diverso.

Tutti gli induttori generano sia induttanza magnetica che cinetica, ma nei tipici conduttori metallici, l'induttanza cinetica è così piccola da essere impercettibile. "La teoria dell'induttanza cinetica è nota da tempo nella fisica della materia condensata, ma nessuno l'ha mai usato per gli induttori, perché nei conduttori metallici convenzionali, l'induttanza cinetica è trascurabile, " ha spiegato Banerjee.

A differenza dell'induttanza magnetica, l'induttanza cinetica non dipende dalla superficie dell'induttore. Piuttosto, l'induttanza cinetica resiste alle fluttuazioni di corrente che alterano la velocità degli elettroni, e gli elettroni resistono a tale cambiamento secondo la legge di inerzia di Newton.

Storicamente, con l'avanzare della tecnologia dei transistor e delle interconnessioni che li collegano, gli elementi sono diventati più piccoli. Ma l'induttore che nella sua forma più semplice è una bobina metallica avvolta attorno a un materiale d'anima, è stata l'eccezione.

"Gli induttori su chip basati sull'induttanza magnetica non possono essere ridotti allo stesso modo in cui i transistor o le interconnessioni scalano, perché hai bisogno di una certa quantità di superficie per ottenere un certo flusso magnetico o valore di induttanza, " ha spiegato l'autore principale Kang, che ha recentemente completato il suo dottorato di ricerca. sotto la supervisione di Banerjee.

Il team dell'UCSB ha progettato un nuovo tipo di induttore a spirale composto da più strati di grafene. Il grafene a strato singolo presenta una struttura a banda elettronica lineare e un tempo di rilassamento del momento (MRT) corrispondentemente grande, alcuni picosecondi o superiore rispetto a quello dei conduttori metallici convenzionali (come il rame utilizzato nei tradizionali induttori su chip), che varia da 1/1000 a 1/100 di picosecondo. Ma il grafene a strato singolo ha troppa resistenza per l'applicazione su un induttore.

Però, il grafene multistrato offre una soluzione parziale fornendo una resistenza inferiore, ma gli accoppiamenti interstrato fanno sì che il suo MRT sia insufficientemente piccolo. I ricercatori hanno superato questo dilemma con una soluzione unica:hanno inserito chimicamente atomi di bromo tra gli strati di grafene, un processo chiamato intercalazione, che non solo ha ridotto ulteriormente la resistenza, ma ha anche separato gli strati di grafene quanto basta per disaccoppiarli essenzialmente. estendendo la MRT e aumentando così l'induttanza cinetica.

L'induttore rivoluzionario, che funziona nella gamma 10-50 GHz, offre una volta e mezza la densità di induttanza di un induttore tradizionale, portando a una riduzione di un terzo dell'area e fornendo al contempo un'efficienza estremamente elevata. In precedenza, alta induttanza e dimensioni ridotte erano state una combinazione sfuggente.

"C'è molto spazio per aumentare ulteriormente la densità di induttanza aumentando l'efficienza del processo di intercalazione, che ora stiamo esplorando, ", ha detto il co-autore Jiang.

"In sostanza, abbiamo progettato un nuovo nanomateriale per portare avanti la precedente "fisica nascosta" dell'induttanza cinetica a temperatura ambiente e in una gamma di frequenze operative mirate alle comunicazioni wireless di prossima generazione, " ha aggiunto Banerjee.