Umjetnikov prikaz interkaliranog višeslojnog grafenskog induktora (središnja plava spirala) koji se oslanja na kinetičku induktivnost. Slike u pozadini prikazuju svoje prethodnike koji se oslanjaju na magnetsku induktivnost, znatno inferiorni i manje učinkovit koncept za mikroelektroniku. (Peter Allen / UC Santa Barbara)

Posljednja prepreka za ultra-minijaturiziranu elektroniku je slomljena zahvaljujući novom tipu induktora

Jedan od tri osnovna elementa kruga prvi je put postao mnogo manji u onome što obećava proboj od bilijuna dolara.

U utrci za unapređenjem tehnologije postoje dvije povezane tehničke mogućnosti koje vode naš svijet naprijed: brzina i veličina. Oni su povezani, što je manji uređaj, to je manje udaljenosti električnog signala koji vozi vaš uređaj. Kako smo uspjeli smanjiti tanji dio silicija, manje ispisati elemente krugova i razviti sve minijaturističnije tranzistore, dobitak u računanju brzine i snage i smanjenje veličine uređaja išli su ruku pod ruku. Ali istodobno s tim napretkom dolazi do skokova i granica, jedan je osnovni element kruga - induktor - ostao potpuno isti. Nalazi se u svemu, od televizora, prijenosnih računala, pametnih telefona, do bežičnih punjača, radija i transformatora, a to je jedna od najvažnijih neophodnih elektroničkih komponenti.

Otkad ih je Michael Faraday izumio 1831. njihov dizajn je u osnovi ostao nepromijenjen. Sve do prošlog mjeseca, odnosno kada je tim UC Santa Barbara na čelu s Kaustavom Banerjee demonstrirao bitno novu vrstu induktora. Bez ograničenja originalnog dizajna induktora trebao bi omogućiti novi iskorak u minijaturizaciji i brzini, što bi potencijalno otvorilo put za povezani svijet.

Jedna od najranijih primjena Faradayevog zakona indukcije bila je primijetiti da zavojnica žice, koja bi stvorila magnetsko polje unutra, može magnetizirati materijal, uzrokujući promjenu u njegovom unutarnjem magnetskom polju. Tada bi to promjenjivo polje izazvalo struju u zavojnici na drugoj strani magneta, uzrokujući da se igla (desno) odbije. Moderni induktori još uvijek se oslanjaju na taj isti princip. (Wikimedia Commons korisnik Eviatar Bach)

Klasičan način rada induktora jedan je od najjednostavnijih mogućih dizajna: jednostavna zavojnica žice. Kad prođete struju kroz petlju ili zavojnicu žice, to stvara magnetsko polje kroz središte. Ali prema Faradayevom zakonu indukcije, mijenjanje magnetskog polja tada inducira struju u sljedećoj petlji, struju koja je suprotna onoj koju pokušavate stvoriti. Ako stvorite veću gustoću zavojnice ili (još bolje) stavite jezgru od namatabilnog materijala unutar induktora, možete uvelike povećati induktivnost svog uređaja. To rezultira vrlo učinkovitim induktorima, ali koji moraju biti fizički prilično veliki. Unatoč svom napretku koji smo postigli, temeljno ograničenje ovog stila dizajniranja znači da postoji ograničenje koliko mali induktor može dobiti.

Čak i uz sve revolucije koje su 19., 20. i 21. stoljeće donijeli u elektronici, konvencionalni magnetski induktor u konceptu ostaje gotovo nepromijenjen u odnosu na Faradayeve izvorne nacrte. (Shutterstock)

Aplikacije su, međutim, ogromne. Uz kondenzatore i otpornike, induktori su jedan od tri pasivna elementa koji su temelji sve elektronike. Stvorite električnu struju prave veličine i frekvencije, i izgradit ćete indukcijski motor. Provucite magnetsku jezgru unutra-van kroz zavojnicu i generirat ćete električnu energiju mehaničkim gibanjem. Pošaljite i izmjeničnu i istosmjernu struju u vašem krugu, a induktor će blokirati izmjeničnu struju, dopuštajući da DC prođe kroz njega. Oni mogu odvajati signale različitih frekvencija, a kada koristite kondenzator zajedno s induktorom, možete napraviti prilagođeni krug, od najveće važnosti u televizijskim i radio prijemnicima.

Fotografija prikazuje krupna zrnca praktičnog materijala za skladištenje energije, kalcijum-bakar-titanat (CCTO), koji je jedan od najučinkovitijih i najpraktičnijih

No, iako su otpornici minijarizirani, primjerice, razvojem otpornika na površinsku ugradnju, a kondenzatori su ustupili mjesto materijalima superkondenzatora koji se približavaju teorijskoj granici, osnovni dizajn induktora stoljećima je ostao isti. Iako su izmišljeni još davne 1831. godine, ništa se o njihovom osnovnom dizajnu nije promijenilo u gotovo 200 godina. Oni funkcioniraju na principu magnetske induktivnosti, gdje se u tandemu koriste struja, zavojnica žice i jezgra magnetizirajućeg materijala.

Ali postoji drugi pristup u teoriji koji induktori mogu zauzeti. Tu je i fenomen poznat kao kinetička induktivnost, gdje se umjesto promjene magnetskog polja koje inducira suprotnu struju kao u magnetskoj induktivnosti, inercija čestica koje same nose električnu struju - poput elektrona - koji se protive promjeni svog gibanja.

Kako struja jednoliko teče kroz vodič, ona se pokorava Newtonovom zakonu da objekt (pojedinačni naboji) ostaju u jednoličnom kretanju, osim ako djeluje vanjska sila. Ali čak i ako na njih djeluje vanjska sila, njihova se inercija odupire promjenama: koncept koji stoji iza kinetičke induktivnosti. (Korisnici Wikimedije Commons lx0 / Menner)

Ako zamislite električnu struju kao niz nosača naboja (poput elektrona) koji se svi kreću stalno, zaredom i konstantnom brzinom, možete zamisliti što bi bilo potrebno da promijenite tu struju: dodatnu silu neke vrste. Svaka od tih čestica trebala bi djelovati na njih, što će ih natjerati da ubrzavaju ili usporavaju. Isti princip koji stvara Newtonov najpoznatiji zakon kretanja, F = ma, govori nam da ako želimo promijeniti pokrete ovih nabijenih čestica, moramo na njih izvršiti silu. U ovoj se jednadžbi to čini njihova masa ili m u jednadžbi koja odolijeva promjenama u kretanju. Odatle dolazi kinetička induktivnost. U funkcionalnom smislu, ne razlikuje se od magnetske induktivnosti, to je samo što je kinetička induktivnost ikad bila praktično velika u ekstremnim uvjetima: bilo u superprovodnicima ili u izuzetno visokofrekventnim krugovima.

Metalni induktor na čipu, u središtu, još uvijek se oslanja na Faradayevu nadahnut koncept magnetske induktivnosti. Postoje ograničenja u njegovoj učinkovitosti i tome koliko dobro ih može minijaturisati, a u najmanjoj elektronici ti induktori mogu zauzeti punih 50% ukupne površine dostupne za elektroničke komponente. (H. Wang i sur., Journal of Semiconductors, 38, 11 (2017))

U konvencionalnim metalnim vodičima kinetička induktivnost je zanemariva, pa se nikada prije nije primjenjivala u konvencionalnim strujnim krugovima. Ali ako se može primijeniti, to bi bio revolucionarni napredak za minijaturizaciju, jer za razliku od magnetske induktivnosti, njegova vrijednost ne ovisi o površini induktora. Ako se ukloni ovo osnovno ograničenje, moglo bi se stvoriti kinetički induktor mnogo manji od bilo kojeg magnetskog induktora koji smo ikada napravili. I ako uspijemo to unaprijediti, možda ćemo sljedeći veliki korak naprijed napraviti minijaturizacijom.

Metalni induktori na čipu revolucionirali su radiofrekvencijsku elektroniku prije dva desetljeća, ali postoje svojstvena ograničenja njihove skalabilnosti. S probojima svojstvenim zamjeni magnetske induktivnosti s kinetičkom induktivnošću, moguće je izraditi još jednu, još veću revoluciju. (Shutterstock)

Tu dolaze radovi Banerjee-ovog istraživačkog laboratorija za nanoelektroniku i njihovih suradnika. Iskorištavajući fenomen kinetičke induktivnosti, prvi su put mogli demonstrirati učinkovitost temeljno različite vrste induktora koji se nije oslanjao na magnet Faradaya induktivitet. Umjesto korištenja konvencionalnih metalnih induktora, koristili su grafen - ugljik spojen u ultra tvrdu, visoko provodljivu konfiguraciju koja također ima veliku kinetičku induktivnost - kako bi napravili materijal s najvećom gustoćom induktivnosti ikad stvoren. U radu objavljenom u časopisu Nature Electronics prošlog mjeseca, skupina je pokazala da ako umetnete atome broma između različitih slojeva grafena, u procesu poznatom kao interkalacija, konačno možete stvoriti materijal u kojem kinetička induktivnost premašuje teoretsku granicu tradicionalnog Faradaya induktor.

Nova grafenska konstrukcija za kinetički induktor (desno) konačno je nadmašila tradicionalne induktore u smislu gustoće induktivnosti, kao što pokazuje središnja ploča (plava i crvena). (J. Kang i sur., Nature Electronics 1, 46–51 (2018))

Već postižući 50% veću induktivnost za svoju veličinu, na skalabilan način koji bi trebao omogućiti znanstvenicima da materijalno još više minijaturiziraju ovu vrstu uređaja. Ako postupak interkalizacije možete učiniti učinkovitijim, što upravo sada radi tim, trebali biste biti u mogućnosti još više povećati gustoću induktivnosti. Prema Banerjee,

U osnovi smo napravili novi nanomaterijal kako bismo predstavili prethodno „skrivenu fiziku“ kinetičke induktivnosti na sobnoj temperaturi i u rasponu radnih frekvencija namijenjenih bežičnoj komunikaciji nove generacije.

Uz povezane uređaje i Internet stvari koji su spremni postati sredinom 2020. godine multi-trilijun dolara, ova nova vrsta induktora mogla bi biti upravo ona vrsta revolucije kojoj se rastuća industrija nadala. Sljedeće generacije tehnologija komunikacije, skladištenja energije i osjetilnih tehnologija mogle bi biti manje, svjetlije i brže nego ikad. Zahvaljujući ovom velikom skoku nanomaterijala, konačno bismo mogli prijeći tehnologiju koju je Faraday donio u naš svijet prije gotovo 200 godina.

Starts With A Bang je sada na Forbesu, a objavljen je na Mediumu zahvaljujući našim pristalicama Patreona. Ethan je autor dvije knjige, Beyond The Galaxy i Treknology: The Science of Star Trek od Tricorders do Warp Drive-a.