Atomitason muutoksilla notkeampaa langatonta teknologiaa

Lontoon Queen Maryn yliopiston tutkijat ovat osoittaneet, että erittäin pienten muutosten tekeminen materiaalin rakenteeseen voi parantaa merkittävästi sen kykyä reagoida sähköisiin signaaleihin.

Hiljattain julkaistu läpimurto voisi auttaa luomaan uuden sukupolven langattomia laitteita, jotka voivat muuttaa taajuutta tarvittaessa, mikä tekee viestintäjärjestelmistä joustavampia ja energiatehokkaampia.

Tutkimusryhmä keskittyi keraamiseen strontiumtantalaatti -materiaaliin. Korvaamalla pienen määrän atomeja hieman pienemmillä kalsiumatomeilla he loivat materiaalin rakenteeseen pieniä vääristymiä. Vaikka nämä muutokset tapahtuvat atomitasolla, niillä on suuri vaikutus materiaalin käyttäytymiseen.

Tämä materiaali on normaalisti sähköisesti epäaktiivinen mutta tutkijat havaitsivat, että atomitason vääristymät luovat materiaalin sisään pieniä sähköisen aktiivisuuden alueita. Näin syntyneet nanoklusterit voivat reagoida nopeasti sähkökenttiin, jolloin materiaalin ominaisuuksia voidaan säätää tarvittaessa.

”Tämä on vähän kuin löytäisimme keinon lisätä säädettävyyttä järjestelmään, jossa aiemmin oli vain päälle- ja poiskytkentä”, sanoo tutkimuksen pääkirjoittaja, professori Yang Hao.

Yksi silmiinpistävimmistä löydöksistä oli se, kuinka vähän kalsiumia tarvittiin vaikutuksen saavuttamiseksi. Parhaiten toimiva materiaali sisälsi vain 8 % kalsiumia, mutta se tuotti harvinaisen yhdistelmän vahvaa viritettävyyttä, pientä energiahäviötä ja vakaata suorituskykyä laajalla taajuusalueella.

Tämä on merkittävää, koska insinöörit ovat pitkään kohdanneet kompromissin: helposti viritettävät materiaalit tuhlaavat usein energiaa tai toimivat huonosti korkeilla taajuuksilla. Queen Maryn tiimi löysi keinon ratkaista tämä haaste, mahdollisesti ratkaisemalla ongelman, joka on rajoittanut viritettävien elektronisten laitteiden kehitystä vuosikymmeniä.

Tieteellisesti kyseessä on ”Kerrostettujen perovskiittien välikerroksen mikromuodonmuutoksesta syntyvä polaarinen järjestys.”

Nykyaikaisten viestintäjärjestelmien odotetaan tekevän enemmän kuin koskaan ennen. Mobiiliverkkojen, satelliittien, tutkajärjestelmien ja verkkoon kytkettyjen laitteiden on kaikkien selviydyttävä kasvavista datamääristä ja muuttuvista toimintaolosuhteista. Materiaalit, jotka pystyvät säätämään ominaisuuksiaan reaaliajassa, voisivat auttaa näitä järjestelmiä tehostamaan ja mukautumaan paremmin.

Merkittävää on, että tutkijat eivät pysähtyneet laboratoriovaiheeseen. He sisällyttivät materiaalin prototyyppiantenneihin ja mikroaaltolaitteisiin ja osoittivat, että toimintataajuutta voidaan muuttaa sähköjännitteellä tai lämpötilalla.

Löytö voisi tukea tulevaisuuden langattomien teknologioiden, kuten uudelleenkonfiguroitavien antennien, mukautuvien viestintäverkkojen ja edistyneiden tunnistusjärjestelmien, kehittämistä.

Käytännön sovellusten lisäksi tutkimus tarjoaa uuden tavan ajatella materiaalien suunnittelua. Suunnittelemalla huolellisesti pieniä vääristymiä kiderakenteessa tiedemiehet voivat ehkä luoda täysin uusia toimintoja ilman monimutkaisia tai kalliita materiaaleja.

Aiheesta aiemmin:

Viritettäviä eristeitä mikroaalloille

Perovskiiteistä 1D-nanolankoja ja topologisia polaroneita