La última barrera hacia Ultra

Representación artística del inductor de grafeno multicapa intercalado (espiral azul central) que... [+] se basa en la inductancia cinética. Las imágenes de fondo muestran a sus predecesores, que se basan en la inductancia magnética, un concepto muy inferior y menos eficiente para la microelectrónica.

En la carrera por una tecnología en constante mejora, hay dos capacidades técnicas relacionadas que impulsan nuestro mundo hacia adelante: la velocidad y el tamaño. Estos están relacionados, ya que cuanto más pequeño es un dispositivo, menos distancia tiene que recorrer la señal eléctrica que lo impulsa. A medida que hemos podido reducir el espesor del silicio, imprimir elementos de circuitos más pequeños y desarrollar transistores cada vez más miniaturizados, las ganancias en velocidad y potencia informática y las disminuciones en el tamaño de los dispositivos han ido de la mano. Pero al mismo tiempo que estos avances se han producido a pasos agigantados, el diseño de un elemento fundamental del circuito, el inductor, sigue siendo exactamente el mismo. Se encuentra en todo, desde televisores hasta computadoras portátiles, teléfonos inteligentes, cargadores inalámbricos, radios y transformadores, y es uno de los componentes electrónicos más indispensables que existen.

Desde su invención en 1831 por Michael Faraday, su diseño se ha mantenido básicamente sin cambios. Hasta el mes pasado, es decir, cuando un equipo de UC Santa Bárbara dirigido por Kaustav Banerjee demostró un tipo de inductor fundamentalmente nuevo. Sin las limitaciones del diseño del inductor original, debería permitir un nuevo avance en miniaturización y velocidad, lo que podría allanar el camino hacia un mundo más conectado.

Una de las primeras aplicaciones de la ley de inducción de Faraday fue observar que una bobina de alambre,... [+] que crearía un campo magnético en su interior, podía magnetizar un material, provocando un cambio en su campo magnético interno. Este campo cambiante induciría entonces una corriente en la bobina del otro lado del imán, provocando que la aguja (a la derecha) se desvíe. Los inductores modernos todavía se basan en este mismo principio.

La forma clásica en que funcionan los inductores es uno de los diseños más simples posibles: una simple bobina de alambre. Cuando pasas una corriente a través de un bucle o bobina de cable, se crea un campo magnético a través del centro. Pero de acuerdo con la ley de inducción de Faraday, ese campo magnético cambiante induce una corriente en el siguiente bucle, una corriente que se opone a la que estás intentando crear. Si crea una mayor densidad de bobina o (mejor aún) coloca un núcleo de material magnetizable dentro del inductor, puede aumentar considerablemente la inductancia de su dispositivo. Esto da como resultado inductores que son muy eficaces, pero que también deben ser físicamente bastante grandes. A pesar de todos los avances que hemos logrado, la limitación fundamental de este estilo de diseño significa que ha habido un límite en lo pequeño que puede llegar a ser un inductor.

Incluso con todas las revoluciones que los siglos XIX, XX y XXI han traído consigo en la electrónica,... [+] el inductor magnético convencional, en concepto, permanece prácticamente sin cambios con respecto a los diseños originales de Faraday. Crédito de la imagen: Shutterstock.

Las aplicaciones, sin embargo, son tremendas. Junto con los condensadores y las resistencias, los inductores son uno de los tres elementos pasivos que constituyen la base de toda la electrónica. Crea una corriente eléctrica de la magnitud y frecuencia adecuadas y construirás un motor de inducción. Pase el núcleo magnético hacia adentro y hacia afuera a través de la bobina y generará electricidad a partir de un movimiento mecánico. Envíe corrientes de CA y CC por su circuito y el inductor bloqueará la CA y permitirá que la CC pase. Pueden separar señales de diferentes frecuencias, y cuando se utiliza un condensador junto con un inductor, se puede realizar un circuito sintonizado, de suma importancia en receptores de televisión y radio.

La fotografía muestra los grandes granos de un material práctico de almacenamiento de energía,... [+] titanato de calcio y cobre (CCTO), que es uno de los 'supercondensadores' más eficientes y prácticos del mundo. La densidad de la cerámica CCTO es el 94 por ciento de la densidad teórica máxima. Los condensadores y resistencias se han miniaturizado por completo, pero los inductores se han quedado atrás.

Pero mientras que las resistencias se han miniaturizado con, por ejemplo, el desarrollo de resistencias de montaje superficial, y los condensadores han dado paso a materiales de supercondensadores que se acercan al límite teórico, el diseño básico de los inductores ha seguido siendo el mismo a lo largo de los siglos. A pesar de que se inventaron allá por 1831, nada de su diseño básico ha cambiado en casi 200 años. Funcionan según el principio de inductancia magnética, donde se utilizan en conjunto una corriente, una bobina de alambre y un núcleo de material magnetizable.

Pero, en teoría, existe otro enfoque que pueden adoptar los inductores. También existe un fenómeno conocido como inductancia cinética, donde en lugar de que un campo magnético cambiante induzca una corriente opuesta como en la inductancia magnética, es la inercia de las partículas que transportan la corriente eléctrica, como los electrones, la que se opone a un cambio en su movimiento.

Como la corriente fluye uniformemente a través de un conductor, obedece la ley de Newton de que un objeto (las cargas individuales... [+]) permanece en movimiento uniforme a menos que actúe sobre él una fuerza externa. Pero incluso si una fuerza externa actúa sobre ellos, su inercia se resiste a ese cambio: el concepto detrás de la inductancia cinética.

Si imagina una corriente eléctrica como una serie de portadores de carga (como electrones), todos moviéndose de manera constante, en fila y a velocidad constante, puede imaginar lo que se necesitaría para cambiar esa corriente: una fuerza adicional de algún tipo. Cada una de esas partículas necesitaría una fuerza que actuara sobre ellas, provocando que se aceleraran o desaceleraran. El mismo principio que crea la ley de movimiento más famosa de Newton,F= metroa , nos dice que si queremos cambiar los movimientos de estas partículas cargadas, necesitamos ejercer una fuerza sobre ellas. En esta ecuación, son sus masas, o la m en la ecuación, las que resisten ese cambio de movimiento. De ahí proviene la inductancia cinética. Funcionalmente es indistinguible de la inductancia magnética, sólo que la inductancia cinética sólo ha sido prácticamente grande en condiciones extremas: ya sea en superconductores o en circuitos de frecuencia extremadamente alta.

Un inductor metálico en chip, en el centro, todavía se basa en el concepto de inductancia magnética... [+] inspirado en Faraday. Hay límites a su eficiencia y a su miniaturización, y en los dispositivos electrónicos más pequeños, estos inductores pueden ocupar hasta el 50% de la superficie total disponible para los componentes electrónicos.

En los conductores metálicos convencionales, la inductancia cinética es insignificante, por lo que nunca antes se había aplicado en circuitos convencionales. Pero si pudiera aplicarse, sería un avance revolucionario para la miniaturización, ya que a diferencia de la inductancia magnética, su valor no depende de la superficie del inductor. Eliminada esa limitación fundamental, podría ser posible crear un inductor cinético que sea mucho más pequeño que cualquier inductor magnético que hayamos fabricado. Y si podemos lograr ese avance, tal vez podamos dar el próximo gran salto en la miniaturización.

Los inductores metálicos en chip revolucionaron la electrónica de radiofrecuencia hace dos décadas, pero existen... [+] limitaciones inherentes a su escalabilidad. Con los avances inherentes a la sustitución de la inductancia magnética por la inductancia cinética, tal vez sea posible diseñar otra revolución aún mayor. Crédito de la imagen: Shutterstock.

Ahí es donde entra en juego el trabajo del Laboratorio de Investigación en Nanoelectrónica de Banerjee y sus colaboradores. Al explotar el fenómeno de la inductancia cinética, pudieron, por primera vez, demostrar la eficacia de un tipo de inductor fundamentalmente diferente que no dependía de la inductancia magnética de Faraday. inductancia. En lugar de utilizar inductores metálicos convencionales, utilizaron grafeno (carbono unido en una configuración ultradura y altamente conductora que también tiene una gran inductancia cinética) para crear el material de mayor densidad de inductancia jamás creado. En un artículo publicado el mes pasado en Nature Electronics, el grupo demostró que si se insertaban átomos de bromo entre varias capas de grafeno, en un proceso conocido como intercalación, finalmente se podía crear un material cuya inductancia cinética excediera el límite teórico de un Faraday tradicional. inductor.

El novedoso diseño de grafeno para el inductor cinético (derecha) finalmente ha superado a los inductores tradicionales... [+] en términos de densidad de inductancia, como lo demuestra el panel central (en azul y rojo, respectivamente).

Ya se está logrando un 50% más de inductancia para su tamaño, de una manera escalable que debería permitir a los científicos de materiales miniaturizar aún más este tipo de dispositivos. Si puede hacer que el proceso de intercalación sea más eficiente, que es exactamente en lo que el equipo está trabajando ahora, debería poder aumentar aún más la densidad de inductancia. Según Banerjee,

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

Dado que los dispositivos conectados y el Internet de las cosas están a punto de convertirse en una empresa multimillonaria a mediados de la década de 2020, este nuevo tipo de inductor podría ser exactamente el tipo de revolución que la floreciente industria estaba esperando. Las tecnologías de comunicaciones, almacenamiento de energía y detección de próxima generación podrían ser más pequeñas, más livianas y más rápidas que nunca. Y gracias a este gran salto en los nanomateriales, es posible que finalmente podamos ir más allá de la tecnología que Faraday trajo a nuestro mundo hace casi 200 años.