Графеновые наноантенны обеспечат радиосвязь будущего

Новое устройство основано на взаимодействии электромагнитных волн с поверхностными плазмонными поляритонами и конвертации одних в другие

(иллюстрация Georgia Tech).

Ведущий разработчик - Йэн Акйылдыз

(фото Georgia Tech).

Сегодня инженеры и физики работают над существенным сокращением размеров различных компонентов электронных устройств. Обычные кремниевые микросхемы в скором времени заменят принципиально новые платы на графеновых транзисторах, а процессоры из нанотрубок позволять вживлять компьютер практически куда угодно — от человеческого тела до гибких чувствительных конечностей робота.

Однако любые наноустройства, в особенности те, которые функционируют в связке с другими, требуют налаженной связи. Обычные антенны использовать нецелесообразно, иначе нарушится вся концепция микроскопических размеров. Поэтому исследователи из Технологического института Джорджии создали первые плазмонные графеновые наноантенны, которые могут быть использованы для передачи и приёма миллиметровых радиоволн.

В основе изобретения лежит "чудо-материал" XXI века — графен. Он представляет собой плоский двухмерных лист, толщиной в один атом углерода, а также обладает уникальной "сотовой" структурой: атомы в графене расположены в углах идеальных шестиугольников. Более того, его транспортные электроны ведут себя подобно безмассовым частицам и вне зависимости от своей энергии передвигаются со скоростью около 0,3% от световой.

Это скоростное ограничение означает, что длина волны поверхностных плазмонных поляритонов для заданной частоты будет в несколько сотен раз меньше, чем длина волны свободно распространяющейся электромагнитной волны той же частоты. Эта разница в скоростях позволяет создавать графеновые антенны куда меньших размеров при той же эффективности, что и у антенн из стандартных материалов.

Наноантенны, прежде всего, нужны для обеспечения коммуникаций между частицами так называемой "интеллектуальной пыли" — организованной сети устройств микронного размера (диаметр не должен превышать нескольких микрометров). При таких малых размерах связывающихся между собой устройств система сталкивается с рядом ограничений: доступная энергия и мощность, размер резонансных структур, дифракция радиосигнала и пределы квантования.

Новое устройство основано на взаимодействии электромагнитных волн с поверхностными плазмонными поляритонами и конвертации одних в другие
(иллюстрация Georgia Tech).

В пресс-релизе института авторы исследования приводят пример, чтобы разъяснить, почему так важны все вышеперечисленные факторы. Некая гипотетическая частица интеллектуальной пыли имеет объём в один кубический микрометр и массой в один пикограмм (одна триллионная часть грамма). Если бы десятая часть куба приходилась на суперконденсатор, количество запасённой энергии составляло бы 10 пикоджоулей (триллионных долей джоуля), а плотность мощности — 10 пиковаттов, триллионных долей ватта, соответственно.

Наличие источника или детектора излучения микронного размера подразумевает, что электромагнитные волны, используемые для связи, должны иметь длину волны примерно 300 ТГц, что соответствует ближнему инфракрасному излучению. Это накладывает на "пылинку" ограничение на использование полупроводниковой оптоэлектроники для коммуникации. Лазеры могут быть достаточно малы, однако требуют слишком много энергии.

При фотонной эффективности около 10%, пиковатт будет генерировать ежесекундно примерно 600 тысяч инфракрасных фотонов. ИК-излучение будет испускается в виде почти правильной полусферы вследствие дифракции света, излучаемого краями светодиодного чипа. При этом только 10% фотонов, сталкивающихся с другой "пылинкой", будут конвертироваться в электроны.

Результаты математических расчётов показали, что для достижения скорости передачи данных в один бит в секунду с соотношением сигнал-шум 10:1 требуется, чтобы расстояние между сообщающимися частицами интеллектуальной пыли составляло всего 35 микрометров. Для передачи сигналов на большие расстояния потребуются частицы-посредники, которые по цепи будут передавать "сообщение". Но при требуемом микроскопическом расстоянии между сообщающимися частицами необходимо создавать облака интеллектуальной пыли с таким большим количеством частиц, что эта технология вообще перестаёт казаться разумной.

Разрешить данную проблему пока возможно лишь одним способом — создав плазмонные наноантенны на основе графена. Их эффективность в работе интеллектуальной пыли будет намного выше, чем у обычных плазмонных антенн на основе благородных металлов, уверены разработчики. В этом случае рабочая частота уменьшается в сотни, а то и в тысячи раз.

Поясним, как это работает. Электромагнитные волны направляются на поверхность графена перпендикулярно. Волна возбуждает электроны в графене и заставляет их колебаться. Эти электроны взаимодействуют с электронами в диэлектрике, на котором установлен пласт графена, и таким образом создаются поверхностные плазмонные поляритоны (SPP).

Ведущий разработчик - Йэн Акйылдыз
(фото Georgia Tech).

Когда антенна входит в состояние резонанса, взаимодействие SPP с внешними электромагнитными волнами существенно возрастает, что приводит к эффективной передаче энергии между ними. При получении сигнала энергия от SPP передаётся в приёмопередатчик, а при передаче плотность электронов в графене провоцирует формирование новых SPP, которые затем преобразуются в электромагнитные волны и распространяются на дальние расстояния, забирая энергию от SPP.

Учёные отмечают, что меньшая рабочая частота подразумевает, что можно создавать в 100-1000 раз больше фотонов при том же "количестве" затрачиваемой энергии. Тем самым увеличивается расстояние, на котором две пылинки микронного размера могут установить связь (до 0,35 – 1 микрометра). Таким образом можно увеличить расстояние между сообщающимися устройствами и, соответственно, уменьшить количество пылинок в облаке примерно в миллион раз.

Данная разработка закладывает основу целому ряду технологий будущего. Наноантенны могут быть использованы для организации беспроводной связи со скоростью терабит в секунду для смартфонов и компьютеров, при этом можно будет избежать потерь мощности, связанных с распространением радиоволн субтерагерцевой частоты в атмосфере.

Также по теме:
Транзисторы из графена обеспечили радиочипу IBM рекордную производительность
Компания IBM создала процессор на сверхплотном массиве нанотрубок
Магнитная плёнка поможет сохранить гигантские объёмы информации
Создано самое маленькое в мире запоминающее устройство
Видео: Где нет Интернета и спутников — спасёт наноантенна