Team udvikler verdens mest kraftfulde mikrobølgeoscillatorer i nanoskala

(Phys.org) -- Et team af UCLA forskere har skabt de mest kraftfulde højtydende mikrobølgeoscillatorer i nanoskala i verden, en udvikling, der kan føre til billigere, mere energieffektive mobile kommunikationsenheder, der leverer meget bedre signalkvalitet.

Dagens mobiltelefoner, WiFi-aktiverede tablets og andre elektroniske gadgets bruger alle mikrobølgeoscillatorer, små enheder, der genererer de elektriske signaler, der bruges i kommunikation. I en mobiltelefon, for eksempel, sender- og modtagerkredsløbet indeholder oscillatorer, der producerer radiofrekvente signaler, som derefter konverteres af telefonens antenne til indgående og udgående elektromagnetiske bølger.

Strømoscillatorer er siliciumbaserede og bruger ladningen af ​​en elektron til at skabe mikrobølger. De UCLA-udviklede oscillatorer, imidlertid, udnytte spin af en elektron, som i tilfældet med magnetisme, og har adskillige størrelsesordensfordele i forhold til oscillatorerne, der almindeligvis anvendes i dag.

UCLAs elektronspin-baserede oscillatorer voksede ud af forskning på UCLA Henry Samueli School of Engineering and Applied Science sponsoreret af Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA). Denne forskning fokuserede på STT-RAM, eller spin-overførsel drejningsmoment magnetoresistiv tilfældig adgangshukommelse, som har et stort potentiale i forhold til andre typer hukommelse med hensyn til både hastighed og strømeffektivitet.

"Vi indså, at de lagdelte nanoskalastrukturer, der gør STT-RAM til en så god kandidat til hukommelse, også kunne udvikles til mikrobølgeoscillatorer til kommunikation, " sagde hovedforsker og forskningsmedforfatter Kang L. Wang, UCLA Engineerings Raytheon-professor i elektroteknik og direktør for Western Institute of Nanoelectronics (WIN).

Strukturerne, kaldet spin-overførsel nano-oscillatorer, eller STNO'er, er sammensat af to forskellige magnetiske lag. Et lag har en fast magnetisk polær retning, mens det andet lags magnetiske retning kan manipuleres til at gyrate ved at lede en elektrisk strøm igennem det. Dette gør det muligt for strukturen at producere meget præcise oscillerende mikrobølger.

"Tidligere der ikke var blevet påvist en spin-transfer oscillator med tilstrækkelig høj udgangseffekt og samtidig god signalkvalitet, som er de to hovedmetrikker for en oscillator - og forhindrer dermed praktiske anvendelser, " sagde medforfatter Pedram Khalili, projektleder for UCLA-DARPA forskningsprogrammer i STT-RAM og ikke-flygtig logik. "Vi har realiseret begge disse krav i en enkelt struktur."

SNTO'en blev testet til at vise en rekordhøj udgangseffekt på tæt på 1 mikrowatt, med en rekordsmal signallinjebredde på 25 megahertz. Udgangseffekt refererer til styrken af ​​signalet, og 1 mikrowatt er det ønskede niveau for STNO'er for at være praktisk til applikationer. Også, en smal signallinjebredde svarer til et signal af højere kvalitet ved en given frekvens. Det betyder mindre støj og interferens, for et renere stemme- og videosignal. Det betyder også, at flere brugere kan indkvarteres på et givet frekvensbånd.

Ud over, det nye nanoskalasystem er omkring 10, 000 gange mindre end de siliciumbaserede oscillatorer, der bruges i dag. Nano-oscillatorerne kan nemt inkorporeres i eksisterende integrerede kredsløb (computerchips), da de er kompatible med nuværende design- og fremstillingsstandarder i computer- og elektronikindustrien. Og oscillatorerne kan bruges i både analog (tale) og digital (data) kommunikation, hvilket betyder, at smartphones kan drage fuld fordel af dem.

"I det sidste årti, vi har arbejdet på at realisere et nyt paradigme inden for nanoelektronik og nanoarkitektur, " sagde Wang, som også er medlem af California NanoSystems Institute ved UCLA. "Dette har ført til enorme fremskridt inden for hukommelsesforskning. Og i samme retning, Vi mener, at disse nye STNO'er er fremragende kandidater til at efterfølge nutidens oscillatorer."

Papiret, "Høj-effekt kohærent mikrobølgeemission fra Magnetic Tunnel Junction Nano-oscillatorer med vinkelret anisotropi, " er blevet offentliggjort online i tidsskriftet ACS Nano .

Andre nøgleforfattere inkluderer Hongwen Jiang, UCLA professor i fysik og astronomi, og hovedforfatter Zhongming Zeng, tidligere postdoc i Jiangs laboratorium og i øjeblikket professor ved Suzhou Institute of Nanotech and Nanobionics, kinesiske videnskabsakademi.