Induktanssi uusiksi

Induktanssikelat ovat yhä olennaisesti samanlaisia kuin Michael Faraday loi ne vuonna 1831. Siten niiden sijoittaminen mikropiireille onkin yhä vaikeampaa sillä korkea induktanssi ja pienentyvä koko ovat olleet saavuttamaton yhdistelmä.

Nyt professori Kaustav Banerjeen johtama tutkijaryhmä UC Santa Barbarassa on ottanut materiaalipohjaisen lähestymistavan tämän peruskomponentin kehittämiseksi.

Banerjee ja hänen kansainvälinen ryhmänsä on hyödyntänyt kineettisen induktanssin ilmiötä, tuottaen näin pohjimmiltaan uudenlaisen induktanssin.

Kaikki induktorit tuottavat sekä magneettista että kineettistä induktanssia, mutta metallijohteissa keloissa kineettinen induktanssi on niin pieni, että se ei ole havaittavissa. "Kineettisen induktanssin teoria on pitkään ollut tiedossa kondensoituneen aineen fysiikassa, mutta kukaan ei koskaan ole käyttänyt sitä induktoreihin, koska tavanomaisissa metallijohteissa kineettinen induktanssi on vähäpätöinen", Banerjee selvittää.

Toisin kuin magneettinen induktanssi, kineettinen induktanssi ei riipu induktorin pinta-alasta. Pikemminkin kineettinen induktanssi vastustaa virran vaihteluita, joka muuttaa elektronien nopeutta ja elektronit vastustavat tällaista muutosta Newtonin inertialain mukaan.

Tutkijaryhmä kehitti grafeenista uudenlaisen spiraali-induktorin. Yhden kerroksen grafeenilla on lineaarinen elektroninen kaistarakenne ja vastaavasti suuri momentin relaksaatioaika (MRT) mutta yksikerroksisella grafeenilla on kuitenkin liian suuri resistanssi induktorille.

Monikerroksinen grafeeni tarjoaa osittaisen ratkaisun tuottamalla pienemmän resistanssin, mutta välikerrosten kontaktit aiheuttavat MRT:n olevan riittämättömän pieni. Tutkijat voittivat tämän ongelman erikoisella ratkaisulla: He siirsivät kemiallisesti bromiatomeja grafeenikerrosten väliin – interkalaatiolla -, mikä ei pelkästään vähentänyt resistanssia vaan myös erotti grafeenikerrokset riittävästi laventamaan MRT:tä ja lisäten näin kineettistä induktanssia.

Uudenlainen kela toimii 10-50 GHz:n alueella, tarjoten perinteiseen nähden puolitoistakertaisen induktanssitiheyden, mikä johtaa kolmasosan pienenemiseen alassa ja tarjoaa samalla erittäin hyvää tehokkuutta. Lisäksi kineettisellä induktanssilla ei ole kytkentävaikutusta naapuri-induktansseihin.

Tutkijoiden mukaan aiheessa on vielä runsaasti tilaa parantaa induktanssitiheyttä lisäämällä interkalatioprosessin tehokkuutta, johon he jo panostavat.

"Olemme olennaisilta osiltaan kehittäneet uuden nanomateriaalin, jotta kineettisen induktanssin aikaisemmin "piilossa ollut fysiikka" voitaisiin tuoda esille huoneen lämpötilassa ja useilla toimintataajuuksilla, jotka kohdistuvat seuraavan sukupolven langattomaan viestintään", Banerjee lisää.