Po przekroczeniu granicy wydajności, dziwactwo materiału może poprawić telekomunikację

Anonim

Badacze, którzy badają i manipulują zachowaniem materiałów na poziomie atomowym, odkryli sposób na wytworzenie cienkiego materiału, który zwiększa przepływ energii mikrofalowej. Postęp, który mógłby poprawić telekomunikację, rzuca nowe światło na cechy strukturalne, ogólnie postrzegane jako statyczne i przeszkodę, które, gdy są wykonane jako dynamiczne, są w rzeczywistości kluczem do specjalnej zdolności materiału.

Odkrycie, opisane w czasopiśmie Nature, pokazuje, w jaki sposób ściany domenowe - naturalnie występujące granice, oddzielające atomy o różnych kierunkach względnego przemieszczenia, które tworzą dipole w materiale - mogą faktycznie stanowić wejście do znacznie szerszego zakresu częstotliwości elektromagnetycznych. Ten dostęp może pewnego dnia rozszerzyć zakres częstotliwości wykorzystywanych jako kanały komunikacyjne.

W artykule naukowcy z Uniwersytetu Drexel, Uniwersytetu Bar-Ilan w Izraelu, Uniwersytetu Kalifornijskiego w Berkeley, Uniwersytetu Kalifornijskiego w Santa Barbara, Carnegie Institution for Science oraz University of Pennsylvania pokazali, jak można zaprojektować materiał ferroelektryczny w taki sposób, że ściany domeny mogą być używane do przesyłania mikrofal z wyższym stopniem kontroli częstotliwości niż urządzenia mobilne, których obecnie używamy.

"Wraz ze wzrostem zapotrzebowania klientów na komunikację mobilną, dostępne spektrum bezprzewodowe jest coraz bardziej zatłoczone, a nowe technologie są potrzebne do stworzenia adaptacyjnych, czułych na częstotliwość anten" - powiedział Robert York, profesor UC Santa Barbara i współautor artykułu. "Potencjalnym rozwiązaniem mogą być przestrajalne materiały dielektryczne."

Używanie ścianek domeny w materiale do poprawy jakości transmisji jest szczególnie nieoczekiwane, ponieważ obecność tych granic silnie zmniejsza zdolność materiału do przejścia mikrofalowego pola elektromagnetycznego. Do tej pory najlepsze materiały filmowe do przesyłania pól elektromagnetycznych w urządzeniach wykorzystujących fale radiowe były na ogół uważane za materiały monokrystaliczne, które nie mają stałych momentów dipolowych, nie mówiąc już o ścianach domen.

Jednak zespół badawczy odwrócił to postrzeganie ścian domen od swojej głowy, tworząc ferroelektryczny materiał o dużej gęstości ścian domen, który może przewyższać monokryształy, jeśli chodzi o dostrajanie i jakość transmisji.

Grupa odkryła, że ​​ściany domenowe cienkiej warstwy tytanianu strontu baru, często badanego materiału ferroelektrycznego, działają jak wibrujące struny gitary, które rezonują razem. Zamiast pochłaniać lub rozpraszać mikrofale, obecność gęstego, ale uporządkowanego, gąszczu oscylujących ścian domen faktycznie poprawia jakość transmisji.

"Nawet najwyższej jakości pojedyncze monokryształy, bez trwałych, reorientowanych dipoli, mają większe straty przy wyższych częstotliwościach, ze względu na zakłócenia powodowane przez drgania atomów w sieci", powiedział Jonathan Spanier, profesor nauk materiałowych w firmie Drexel. prowadził badania. "Materiały filmowe ze stałymi dipolami tworzą ściany domen, a strata jest znacznie gorsza, ale filmy, które wspierają odwracalny ruch w kierunku domeny i ich oscylujące zachowanie, zaskakująco przełamują ten trend i rezonują w szerokim zakresie częstotliwości".

Zdaniem naukowców: "bliskość i dostępność między prognozowanymi termodynamicznie, indukowanymi szczepami, ferroelektrycznymi wariantami ścian domenowych w celu osiągnięcia wahania mikrofalowo-gigahercowego i strat dielektrycznych, które przewyższają te dla obecnych najlepszych urządzeń filmowych o 1-2 rzędy wielkości, osiągając wartości porównywalne do masowych pojedynczych kryształów, ale z nieodłącznym materiałem ", piszą w gazecie.

Kluczem do tej wyjątkowej przestrajalności, według współautora Zongquana Gu, naukowca habilitowanego w grupie badawczej Spaniera, jest obfitość różnych faz, "temperatura przejścia fazowego ferroelektrycznego oznacza początek stałego uporządkowania dipolarnego. Szczyt w dielektryku wrażliwość, właściwość termodynamiczna związana z wielkością pojemności, jest cechą charakterystyczną przejścia ", powiedział Gu. "Zaprojektowanie materiału filmowego, który ma wiele łatwiej dostępnych" faz "w pobliżu przejścia, pozwala materiałowi osiągnąć znacznie wyższe strojenie pojemności przy tym samym napięciu."

Wraz z Spanier, Gu i Geoffrey Xiao, studentem studiów licencjackich w Drexel, rozpoczął teorię i symulację wysiłków na rzecz prognozowania krajobrazów energetycznych bogatych w ściany domen, aby kierować produkcją bogatej w ściany ściany tytanianu baru strontu tytanianu. Z kolegami Spaniera z Berkeley, kierowanymi przez Lane Martina, profesora nauk o materiałach, lidera w ferroelektrycznej kinematografii, Gu także wykonał i scharakteryzował pierwsze próbki materiału, stosując proces zwany inżynierią szczepu, aby stworzyć gęstą koncentrację domeny ściany.

Stamtąd współpracownicy z Uniwersytetu Bar-Ilan w Izraelu pod kierownictwem Ilyi Grinberg, profesor chemii, symulowali dynamiczne zachowanie się materiału filmowego w skali atomowej przy różnych wartościach temperatury, odkształcenia i pola elektrycznego, porównując je z tym dla "idealny" kryształ ferroelektryczny bez ścian domenowych, który ujawnił wyjątkowe zachowanie materiału.

Ta wewnętrzna przestrajalność, oznaczająca doskonałe zdolności transmisyjne materiału, nie wymaga żadnego zewnętrznego wzmocnienia elektromechanicznego, czyniąc go obiecującym do zastosowania w urządzeniach komunikacyjnych - gdzie niezbędny jest skuteczny dostęp do widma.

W UC Santa Barbara w Yorku, profesor inżynierii elektrycznej i komputerowej oraz jego doktorant Cedric Meyers, wykonał konstrukcje testowe elektrod, które umożliwiły pomiar i analizę rezonansowej odpowiedzi mikrofalowej materiału, w tym jego dostrajanie.

"Przestrzenne materiały dielektryczne są przedmiotem badań w mojej grupie na UCSB od końca lat 90." - powiedział York. "Mimo pewnych postępów na początku, konsekwentnie występowaliśmy przeciwko ograniczeniom słabo zrozumianych materiałów. Ta praca pomaga lepiej zrozumieć te ograniczenia i zidentyfikować potencjalne rozwiązania."

menu
menu