В Калифорнийском университете заново изобрели катушку индуктивности

Индуктор, фундаментальный элемент электронных схем, отвечающий за создание магнитного потока, применяется в мобильных телефонах, ноутбуках, телевизорах, автомобилях.

Несмотря на повсеместное использование, индукторы конструктивно практически не изменились с 1831 г., когда их изобрёл британский учёный, Майкл Фарадей. Другие электронные компоненты, такие как транзисторы или проводники, со временем совершенствовались, становясь все меньше и меньше, но индукторы, в элементарном виде представляющие собой металлический провод, навитый вокруг сердечника, оставались исключением.

«Внутри чипа индукторы, базирующиеся на магнитной индукции, нельзя уменьшить до масштаба транзисторов, поскольку для получения некоторой величины магнитного потока нужна определённая площадь поверхности», — поясняет Цзяхао Кан (Jiahao Kang), сотрудник лаборатории наноэлектронных исследований Калифорнийского университета в Санта-Барбара (UCSB).

Кан входит в группу, которой руководит профессор Каустав Банерджи (Kaustav Banerjee), задавшуюся целью заново изобрести индукционную катушку. О результатах своей работы они рассказали в статье, опубликованной в Nature Electronics.

Все индукторы генерируют не только магнитную, но и динамическую индукцию. Последняя не зависит от площади индуктора и выражается в инерционном сопротивлении колебаниям тока, изменяющим скорость электронов. «Теория кинетической индуктивности давно известна в физике сплошных сред, но никто и никогда не применял её к индукторам, потому что в обычных металлических проводниках кинетическая индуктивность пренебрежимо мала», — пишет Банерджи.

Команда UCSB сконструировала новый тип спирального индуктора, образованного многочисленными слоями графена. В монослойном виде этот материал демонстрирует очень большой в сравнении с металлами период релаксации импульса (Momentum Relaxation Time, MRT): несколько пикосекунд против сотых и тысячных долей пикосекунды. Но сопротивление монослойного графена слишком велико для индуктора.

Увеличение количества слоёв лишь частично решает проблему, так как наряду с уменьшением сопротивления сокращается и MRT. Исследователи нашли выход из этого положения, внедрив химическим способом атомы брома между углеродными слоями. Расширив таким образом зазор между 2D-решетками графена, учёные фактически их разъединили, увеличив MRT, а следовательно и кинетическую индуктивность.

Созданное ими устройство демонстрирует чрезвычайно высокую эффективность в рабочем диапазоне 10–50 ГГц на площади в 1,5 раза меньше, чем та, которую занимал бы традиционный индуктор. Авторы подчёркивают, что новая технология оставляет простор для дальнейшего увеличения плотности индуктивности путём улучшения эффективности процесса внедрения атомов

«Мы, по сути, сконструировали новый наноматериал, выводящий на передний план доселе «скрытую физику» кинетической индуктивности при комнатной температуре и в диапазоне рабочих частот, предназначенных для беспроводных коммуникаций следующего поколения», — добавил Банерджи.

Ready, set, buy! Посібник для початківців - як придбати Copilot для Microsoft 365