Forudsiger, hvordan elektromagnetiske bølger interagerer med materialer på de mindste skalaer

UCLA Samueli -ingeniører har udviklet et nyt værktøj til at modellere, hvordan magnetiske materialer, som bruges i smartphones og andre kommunikationsenheder, interagere med indgående radiosignaler, der bærer data. Det forudsiger nøjagtigt disse interaktioner ned til de nanometerskalaer, der kræves for at bygge state-of-the-art kommunikationsteknologier.

Værktøjet giver ingeniører mulighed for at designe nye klasser af radiofrekvensbaserede komponenter, der er i stand til at transportere store mængder data hurtigere, og med mindre støjinterferens. Fremtidige brugssager omfatter smartphones til implanterbare sundhedsovervågningsenheder.

Magnetiske materialer kan tiltrække eller frastøde hinanden baseret på deres polære orientering - positive og negative ender tiltrækker hinanden, mens to positive eller to negative frastøder. Når et elektromagnetisk signal som en radiobølge passerer gennem sådanne materialer, et magnetisk materiale fungerer som en gatekeeper, slippe de ønskede signaler ind, men holder andre ude. De kan også forstærke signalet, eller dæmpe signalets hastighed og styrke.

Ingeniører har brugt disse gatekeeper-lignende effekter, kaldet "bølge-materiale interaktioner, " at lave enheder, der er brugt i kommunikationsteknologier i årtier. F.eks. disse omfatter cirkulatorer, der sender signaler i bestemte retninger eller frekvens-selektive begrænsere, der reducerer støj ved at undertrykke styrken af ​​uønskede signaler.

Nuværende designværktøjer er ikke omfattende og præcise nok til at fange det komplette billede af magnetisme i dynamiske systemer, såsom implanterbare enheder. Værktøjerne har også grænser for design af forbrugerelektronik.

"Vores nye beregningsværktøj løser disse problemer ved at give elektronikdesignere en klar vej til at finde ud af, hvordan potentielle materialer bedst bruges i kommunikationsenheder, "sagde Yuanxun" Ethan "Wang, en professor i elektro- og computerteknik, der ledede forskningen. "Tilslut egenskaberne for bølgen og det magnetiske materiale, og brugere kan nemt modellere effekter i nanoskala hurtigt og præcist. Så vidt vi ved, dette sæt modeller er det første til at inkorporere al den kritiske fysik, der er nødvendig for at forudsige dynamisk adfærd. "

Undersøgelsen blev offentliggjort i udgaven af ​​juni 2018 af IEEE-transaktioner om mikrobølgeteori og -teknikker .

Beregningsværktøjet er baseret på en metode, der i fællesskab løser velkendte Maxwells ligninger, som beskriver hvordan elektricitet og magnetisme fungerer og Landau-Lifshitz-Gilbert-ligningen, som beskriver hvordan magnetisering bevæger sig inde i en fast genstand.

Undersøgelsens hovedforfatter Zhi Yao er en postdoktor i Wangs laboratorium. Medforfattere er Rustu Umut Tok, en postdoktor i Wangs laboratorium, og Tatsuo Itoh, en fremtrædende professor i elektro- og computerteknik ved UCLA og Northrop Grumman-stolen i elektroteknik. Itoh er også Yaos medrådgiver.

Teamet arbejder på at forbedre værktøjet til at tage højde for flere typer magnetiske og ikke-magnetiske materialer. Disse forbedringer kan føre til, at den bliver en "universel løser, "i stand til at redegøre for enhver form for elektromagnetisk bølge, der interagerer med enhver form for materiale.

Wangs forskningsgruppe modtog for nylig et tilskud på 2,4 millioner dollar fra Defense Advanced Research Project Agency for at udvide værktøjets modelleringskapacitet til at omfatte yderligere materialegenskaber.