Los investigadores de la Universidad Case Western Reserve están desarrollando "parches de tambor" atómicamente delgados capaces de recibir y transmitir señales a través de un rango de radiofrecuencia mucho mayor de lo que podemos escuchar con el oído humano.

Pero el parche es decenas de billones de veces (10 seguido de 13 ceros) más pequeño en volumen y 100, 000 veces más delgado que el tímpano humano.

Es probable que los avances contribuyan a hacer que la próxima generación de dispositivos sensoriales y de comunicaciones de potencia ultrabaja sea más pequeña y con mayores rangos de detección y sintonización.

"La detección y la comunicación son clave para un mundo conectado, "dijo Philip Feng, profesor asociado de ingeniería eléctrica e informática y autor correspondiente de un artículo sobre el trabajo publicado el 30 de marzo en la revista Avances de la ciencia . "En décadas recientes, nos han conectado con dispositivos y sistemas altamente miniaturizados, y hemos estado buscando tamaños cada vez más pequeños para esos dispositivos ".

El desafío de la miniaturización:también lograr un rango dinámico de detección más amplio, para pequeñas señales, como el sonido, vibración, y ondas de radio.

"En el final, necesitamos transductores que puedan manejar señales sin perder o comprometer información tanto en el 'techo de la señal' (el nivel más alto de una señal no distorsionada) como en el 'piso de ruido' (el nivel más bajo detectable), "Dijo Feng.

Si bien este trabajo no estaba dirigido a dispositivos específicos actualmente en el mercado, los investigadores dijeron, se centró en las mediciones, límites y escalas que serían importantes para prácticamente todos los transductores.

Esos transductores pueden desarrollarse durante la próxima década, pero por ahora, Feng y su equipo ya han demostrado la capacidad de sus componentes clave, los parches o resonadores de capa atómica, a la escala más pequeña hasta ahora.

El trabajo representa el rango dinámico más alto reportado para transductores vibratorios de su tipo. Hasta la fecha, ese rango solo había sido alcanzado por transductores mucho más grandes que operaban a frecuencias mucho más bajas, como el tímpano humano, por ejemplo.

"Lo que hemos hecho aquí es mostrar que algunos, en última instancia, miniaturizaron, Los resonadores de parche electromecánicos atómicamente delgados pueden ofrecer un rango dinámico notablemente amplio, hasta ~ 110dB, a frecuencias de radio (RF) de hasta 120 MHz, "Dijo Feng." Estos rangos dinámicos en RF son comparables al amplio rango dinámico de la capacidad auditiva humana en las bandas de audio ".

Nuevo estándar dinámico

Feng dijo que la clave de todos los sistemas sensoriales, desde las funciones sensoriales que ocurren naturalmente en los animales hasta los dispositivos sofisticados en la ingeniería, es el rango dinámico deseado.

El rango dinámico es la relación entre el techo de la señal y el piso de ruido y generalmente se mide en decibelios (dB).

Los tímpanos humanos normalmente tienen un rango dinámico de aproximadamente 60 a 100 dB en el rango de 10 Hz a 10 kHz. y nuestra audición disminuye rápidamente fuera de este rango de frecuencia. Otros animales, como el gato doméstico común o la ballena beluga (ver ilustración), puede tener rangos dinámicos comparables o incluso más amplios en bandas de frecuencia más altas.

Los parches vibrantes a nanoescala desarrollados por Feng y su equipo están hechos de capas atómicas de cristales semiconductores (simples, bi-, tri-, y escamas de MoS2 de cuatro capas, con espesor de 0,7, 1,4, 2,1, y 2,8 nanómetros), con diámetros de solo alrededor de 1 micra.

Los construyen exfoliando capas atómicas individuales del cristal semiconductor a granel y usando una combinación de técnicas de nanofabricación y micromanipulación para suspender las capas atómicas sobre microcavidades predefinidas en una oblea de silicio. y luego hacer contactos eléctricos con los dispositivos.

Más lejos, Estos resonadores de RF atómicamente delgados que se están probando en Case Western Reserve muestran una excelente capacidad de sintonización de frecuencia, "lo que significa que sus tonos se pueden manipular estirando las membranas del parche usando fuerzas electrostáticas, similar a la afinación de sonido en instrumentos musicales mucho más grandes en una orquesta, Dijo Feng.

El estudio también revela que estos parches increíblemente pequeños solo necesitan picovatios (pW, 10 ^ -12 vatios) hasta nanovatios (nW, 10 ^ -9 Watt) nivel de potencia de RF para sostener sus oscilaciones de alta frecuencia.

"No solo tiene un rango dinámico sorprendentemente grande con un volumen y una masa tan pequeños, también son dispositivos energéticamente eficientes y muy 'silenciosos' ", Feng dijo:"Los 'escuchamos' con mucha atención y les 'hablamos' con mucha amabilidad".