Könnten Nano-Antennen auf Graphenbasis intelligente Staubschwärme ermöglichen?


NanoAntenne e1640021467818

Intelligenter Staub. Utility-Nebel. Programmierbare Materie. Grauer und blauer Glibber. Kooperierende Schwärme von mikrometergroßen Geräten (Motes) bieten völlig neue Lösungen und Fähigkeiten, die man sich kaum vorstellen kann. Die Zusammenarbeit erfordert jedoch Kommunikation, und herkömmliche Funk- oder optische Netzwerke sind bei dieser Größe einfach nicht praktikabel.

Ein weiterer Schritt in Richtung Smart Dust

Jetzt haben Forscher an der Georgia Tech eine plasmonische Graphen-Nanoantenne entwickelt, die effizient bei Millimeter-Radiowellenlängen eingesetzt werden kann und damit einen weiteren Schritt in Richtung intelligenter Staub macht.

Graphen ist eine zweidimensionale Schicht aus Kohlenstoffatomen, die eines der Wundermaterialien des 21. Jahrhunderts werden könnte. Zu den einzigartigen Eigenschaften von Graphen gehört, dass sich seine Transportelektronen so verhalten, als ob sie keine Masse hätten, und sich unabhängig von ihrer Energie mit etwa 0,3 Prozent der Lichtgeschwindigkeit fortbewegen.

Diese Geschwindigkeitsgrenze bedeutet, dass die Wellenlänge der Oberflächenplasmonenpolaritonen für eine bestimmte Frequenz mehrere hundert Mal kleiner ist als die Wellenlänge sich frei ausbreitender elektromagnetischer Wellen derselben Frequenz. Das Team der Georgia Tech hat gezeigt, dass dieser Geschwindigkeitsunterschied es ermöglicht, Antennen auf Graphenbasis bei etwa gleicher Effizienz deutlich kleiner zu bauen als Antennen aus herkömmlichen Materialien.

Warum brauchen wir winzige elektromagnetische Antennen?

Eines der Hindernisse bei der Schaffung von intelligentem Staub, d. h. von kooperierenden Schwärmen mikrometergroßer Geräte, besteht darin, die für selbstgesteuerte Gruppenaktivitäten erforderliche Kommunikation zu ermöglichen. Bei solch kleinen Größen stößt ein Kommunikationssystem auf eine Reihe von Einschränkungen, wie verfügbare Energie und Leistung, die Größe von Resonanzstrukturen, Signalbeugung und Quantisierungsgrenzen. Schauen wir uns ein Beispiel an, um diese Faktoren zu verdeutlichen.

Stellen Sie sich ein intelligentes Staubkorn in einem Ein-Mikrometer-Würfel vor. Die Masse dieses Würfels liegt irgendwo in der Nähe von einem Pikogramm. Wenn ein Zehntel des Würfels ein Superkondensator der nächsten Generation wäre, würde die gespeicherte Energiemenge etwa 10 Picojoule und die Leistungsdichte etwa 1 Pikowatt betragen.

Eine Strahlungsquelle bzw. ein Strahlungsdetektor mit einer Größe von einem Mikrometer bedeutet, dass die für die Kommunikation verwendeten elektromagnetischen Wellen eine Wellenlänge haben sollten, die kleiner ist als diese, d. h. über 300 THz (Nahinfrarotlicht). Dies würde unseren Mote derzeit auf die Verwendung von optoelektronischen Halbleitern für die Kommunikation beschränken. Laser können zwar so klein gemacht werden, dass sie verwendet werden können, benötigen aber zu viel Energie, um ihre Laserschwelle zu erreichen.

Bei einer Photoneneffizienz von etwa zehn Prozent würde ein elektrisches Pikowatt etwa 600.000 IR-Photonen pro Sekunde erzeugen. Die IR-Strahlung würde aufgrund der Beugung des emittierten Lichts an den Kanten des LED-Chips in einem nahezu halbkugelförmigen Muster emittiert werden. Außerdem werden nur zehn Prozent der Photonen, die auf einen anderen Mote treffen, in Elektronen umgewandelt.

Um eine Datenrate von einem Bit pro Sekunde bei einem Signal-Rausch-Verhältnis von 10:1 zu erreichen, müssen die kommunizierenden Smart-Staubpartikel nur etwa 35 Mikrometer voneinander entfernt sein.

Zwar können Nachrichten mit großer Reichweite über Vermittler an jeden beliebigen Ort innerhalb des Schwarms weitergeleitet werden, doch müsste ein Schwarm, der für die meisten Zwecke groß genug ist, eine riesige Anzahl von Motes enthalten, um die Verbindung zu gewährleisten. Diese Zahl ist so groß, dass es sinnvoll erscheint, nach einem anderen Kommunikationskonzept zu suchen.

Plasmonische Antennen auf Graphenbasis

Der neueste Ansatz sind plasmonische Antennen auf Graphenbasis. Im Gegensatz zu plasmonischen Antennen auf der Basis von Edelmetallen könnten diese intelligenten Stäube bei Frequenzen arbeiten, die mindestens 100-mal (und im Prinzip vielleicht 1000-mal) kleiner sind als bei einer herkömmlichen Metallantenne.

Das Funktionsprinzip besteht darin, dass eine elektromagnetische (EM) Welle, die auf eine Graphenoberfläche senkrecht zu dieser Oberfläche gerichtet ist, die Elektronen im Graphen zu Schwingungen anregt. Diese Elektronen interagieren mit denen des dielektrischen Materials, auf dem das Graphen angebracht ist, und bilden dabei Oberflächenplasmonenpolaritonen (SPP).

Wenn die Antenne in Resonanz geht (d. h. eine ganzzahlige Anzahl von SPP-Wellenlängen in die physikalischen Abmessungen des Graphens passt), nimmt die Kopplung zwischen den SPP und den externen EM-Wellen stark zu, was zu einer effizienten Energieübertragung zwischen beiden führt.

Beim Empfang wird die Energie der SPP in einen Transceiver abgeleitet. Beim Senden wird die Elektronendichte des Graphens moduliert, um die Bildung der SPP anzutreiben, die sich dann in EM-Wellen umwandeln und sich ausbreiten, wobei sie die in die SPP gepumpte Energie mitnehmen. Die Forscher an der Georgia Tech arbeiten auch an kompatiblen Transceivern auf Graphenbasis, ein Projekt, das man im Auge behalten sollte.

Man beachte, dass die kleinere Frequenz bedeutet, dass man 100-1000 Mal mehr Photonen für die gleiche Menge an Energie erzeugen kann, was die Kommunikationsreichweite zwischen zwei mikrometergroßen Motiven auf etwa 0,35-1,0 mm (0,014-0,04 in) vergrößert, wodurch die Anzahl der Motive für einen Schwarm mit einer gegebenen physischen Abmessung mindestens um das Millionenfache reduziert wird.

Es gibt noch weitere Anwendungen für solch kleine Antennen. So könnte eine phasengesteuerte Gruppenantenne mit einem Durchmesser von nur 100 Mikrometern verwendet werden, um 300-GHz-Strahlen mit einem Durchmesser von nur wenigen Grad zu erzeugen, anstatt der halbkugelförmigen Strahlung, die man von einer herkömmlichen Metallantenne mit einer Größe von 100 Mikrometern erwartet.

Damit könnten drahtlose Terabit-pro-Sekunde-Netze für smartphones und Computer realisiert werden, ohne dass der Leistungsverlust, der mit der Ausbreitung von Sub-THz-Funkwellen durch die Atmosphäre verbunden ist, zu einer Beeinträchtigung führt. Wie auch immer die Geschichte ausgeht, sie ist ein weiteres Beispiel dafür, zu welchen neuartigen Verhaltensweisen Graphen fähig ist.

Nano
Diese schematische Darstellung einer plasmonischen Nanoantenne aus Graphen zeigt, wie kurzwellige EM-Wellen in einer Graphenschicht in langwellige Oberflächenplasmonpolaritonen umgewandelt werden.