Un componente básico de la tecnología moderna, los inductores están en todas partes:teléfonos móviles, laptops, radios, televisores, carros. Y sorprendentemente son esencialmente los mismos hoy que en 1831, cuando fueron creados por el científico inglés Michael Faraday.

El tamaño particularmente grande de los inductores fabricados según el diseño de Faraday es un factor limitante en la entrega de dispositivos miniaturizados que ayudarán a realizar el potencial de Internet de las cosas. que promete conectar a las personas con unos 50 mil millones de objetos para 2020. Se espera que ese elevado objetivo tenga un impacto económico estimado entre $ 2.7 y $ 6.2 billones anuales para 2025.

Ahora, un equipo de UC Santa Barbara, dirigido por Kaustav Banerjee, profesor del Departamento de Ingeniería Eléctrica e Informática, ha adoptado un enfoque basado en materiales para reinventar este componente fundamental de la electrónica moderna. Los hallazgos aparecen en la revista. Electrónica de la naturaleza .

Banerjee y su equipo de UCSB:el autor principal, Jiahao Kang, Junkai Jiang, Xuejun Xie, Jae Hwan Chu y Wei Liu, todos los miembros de su Laboratorio de Investigación de Nanoelectrónica trabajaron con colegas del Instituto de Tecnología Shibaura en Japón y la Universidad Jiao Tong de Shanghai en China para explotar el fenómeno de la inductancia cinética para demostrar un tipo de inductor fundamentalmente diferente.

Todos los inductores generan inductancia tanto magnética como cinética, pero en conductores metálicos típicos, la inductancia cinética es tan pequeña que pasa desapercibida. "La teoría de la inductancia cinética se conoce desde hace mucho tiempo en la física de la materia condensada, pero nadie lo usó nunca para inductores, porque en los conductores metálicos convencionales, la inductancia cinética es insignificante, "Explicó Banerjee.

A diferencia de la inductancia magnética, La inductancia cinética no depende del área de superficie del inductor. Bastante, la inductancia cinética resiste las fluctuaciones de corriente que alteran la velocidad de los electrones, y los electrones resisten tal cambio de acuerdo con la ley de inercia de Newton.

Históricamente, a medida que avanza la tecnología de transistores e interconexiones que los unen, los elementos se han vuelto más pequeños. Pero el inductor, que en su forma más simple es una bobina metálica enrollada alrededor de un material de núcleo, ha sido la excepción.

"Los inductores en chip basados ​​en la inductancia magnética no se pueden hacer más pequeños de la misma manera que los transistores o las interconexiones escalan, porque necesita una cierta cantidad de área de superficie para obtener un cierto valor de flujo magnético o inductancia, "explicó el autor principal Kang, quien recientemente completó su Ph.D. bajo la supervisión de Banerjee.

El equipo de UCSB diseñó un nuevo tipo de inductor en espiral compuesto por múltiples capas de grafeno. El grafeno de una sola capa exhibe una estructura de banda electrónica lineal y un tiempo de relajación de momento (MRT) correspondientemente grande:unos pocos picosegundos o más en comparación con los conductores metálicos convencionales (como el cobre usado en los inductores tradicionales en chip), que varía de 1/1000 a 1/100 de un picosegundo. Pero el grafeno de una sola capa tiene demasiada resistencia para su aplicación en un inductor.

Sin embargo, El grafeno multicapa ofrece una solución parcial al proporcionar una menor resistencia, pero los acoplamientos entre capas hacen que su MRT sea insuficientemente pequeño. Los investigadores superaron ese dilema con una solución única:insertaron químicamente átomos de bromo entre las capas de grafeno, un proceso llamado intercalación, que no solo redujo aún más la resistencia, sino que también separó las capas de grafeno lo suficiente para esencialmente desacoplarlas. extendiendo el MRT y aumentando así la inductancia cinética.

El inductor revolucionario, que funciona en el rango de 10-50 GHz, ofrece una vez y media la densidad de inductancia de un inductor tradicional, lo que lleva a una reducción de un tercio en el área al tiempo que proporciona una eficiencia extremadamente alta. Previamente, alta inductancia y tamaño reducido habían sido una combinación difícil de alcanzar.

"Hay mucho espacio para aumentar aún más la densidad de inductancia aumentando la eficiencia del proceso de intercalación, que ahora estamos explorando, "dijo el coautor Jiang.

"Básicamente, diseñamos un nuevo nanomaterial para presentar la 'física oculta' de la inductancia cinética a temperatura ambiente y en un rango de frecuencias operativas destinadas a las comunicaciones inalámbricas de próxima generación, "Añadió Banerjee.