Могут ли наноантенны на основе графена обеспечить работу умных пылевых роев?


НаноАнтенна e1640021467818

Умная пыль. Утилитарный туман. Программируемая материя. Серо-голубая слизь. Кооперирующиеся рои устройств микронного размера (мотыльки) предлагают совершенно новые решения и возможности, которые трудно себе представить. Однако сотрудничество требует связи, а обычные радио- или оптические сети при таких размерах просто непрактичны.

Еще один шаг на пути к "умной" пыли

Теперь исследователи из Georgia Tech изобрели плазмонную графеновую наноантенну, которая может эффективно использоваться в миллиметровом диапазоне радиоволн, сделав еще один шаг к "умной" пыли.

Графен - это двумерный лист из атомов углерода, который может стать одним из чудесных материалов 21 века. Уникальные свойства графена заключаются в том, что его транспортные электроны ведут себя так, как будто они не имеют массы, и движутся со скоростью около 0,3 процента от скорости света независимо от их энергии.

Это ограничение скорости подразумевает, что длина волны поверхностных плазмонных поляритонов для данной частоты будет в несколько сотен раз меньше, чем длина волны свободно распространяющихся электромагнитных волн той же частоты. Команда Georgia Tech продемонстрировала, что эта разница в скорости позволяет антеннам на основе графена быть намного меньше, чем антенны, изготовленные из обычных материалов, при сохранении примерно той же эффективности.

Зачем нам нужны крошечные электромагнитные антенны?

Одним из препятствий на пути создания "умной пыли" - взаимодействующих роев устройств микронного размера - является обеспечение связи, необходимой для самонаводящейся групповой деятельности. При таких малых размерах система связи сталкивается с рядом ограничений, таких как доступная энергия и мощность, размер резонансных структур, дифракция сигнала и пределы квантования. Давайте рассмотрим пример, чтобы прояснить эти факторы.

Представьте себе умную соринку в кубике размером в один микрон. Масса этого куба будет где-то в районе пикограмма. Если бы десятая часть куба представляла собой суперконденсатор нового поколения, количество запасенной энергии составило бы около 10 пикоджоулей, а плотность мощности - около 1 пиковатта.

Наличие источника/детектора излучения размером в микрон означает, что электромагнитные волны, используемые для связи, должны иметь длину волны меньше этой длины, или выше примерно 300 ТГц (ближний инфракрасный свет). В настоящее время это ограничивает возможности нашего мотылька в использовании полупроводниковой оптоэлектроники для связи. Лазеры можно сделать достаточно маленькими для использования, но они требуют слишком много энергии для достижения порога излучения, что ограничивает умную пыль светодиодами и фотодетекторами.

При фотонной эффективности около десяти процентов, электрический пиковатт будет генерировать около 600 000 ИК-фотонов в секунду. ИК-излучение будет испускаться почти полусферически из-за дифракции излучаемого света от краев светодиодного чипа. Кроме того, только десять процентов фотонов, попадающих на другой мотылек, будут преобразованы в электроны.

Подсчеты показывают, что для достижения скорости передачи данных в один бит в секунду при соотношении сигнал/шум 10:1 необходимо, чтобы взаимодействующие частицы умной пыли были разделены всего лишь примерно 35 микронами.

Хотя сообщения на большие расстояния могут передаваться через посредников в любое место внутри роя, достаточно большой для большинства целей рой должен содержать огромное количество мотов, чтобы обеспечить связь. Это число настолько велико, что кажется разумным искать другой подход к коммуникации.

Плазмонные антенны на основе графена

Новейший подход предполагает использование плазмонных антенн на основе графена. В отличие от плазмонных антенн на основе благородных металлов, они позволят "умной пыли" работать на частотах как минимум в 100 раз (а в принципе, возможно, и в 1000 раз) меньших, чем это возможно при использовании обычных металлических антенн.

Принцип действия заключается в том, что электромагнитная (ЭМ) волна, направленная на поверхность графена перпендикулярно этой поверхности, возбуждает электроны в графене в колебания. Эти электроны взаимодействуют с электронами в диэлектрическом материале, на котором закреплен графен, образуя тем самым поверхностные плазмонные поляритоны (ППП).

Когда антенна становится резонансной (это означает, что целое число длин волн СПП укладывается в физические размеры графена), связь СПП и внешних электромагнитных волн значительно увеличивается, что приводит к эффективной передаче энергии между ними.

При приеме энергия СПП уходит в приемопередатчик. При передаче электронная плотность графена модулируется для формирования СПП, которые затем преобразуются в электромагнитные волны и распространяются, унося с собой энергию, закачанную в СПП. Исследователи из Georgia Tech также работают над созданием совместимых приемопередатчиков на основе графена, и за этой работой стоит понаблюдать.

Отметим, что меньшая частота означает, что можно генерировать в 100-1000 раз больше фотонов при той же мощности, увеличивая дальность связи между двумя моторами микронного размера примерно до 0,35-1,0 мм (0,014-0,04 дюйма), тем самым уменьшая количество моторов для роя с заданными физическими размерами по крайней мере в миллион раз.

Существуют и другие применения для таких маленьких антенн. Например, фазированная антенная решетка диаметром всего 100 микрон может быть использована для создания лучей на частоте 300 ГГц диаметром всего несколько градусов, вместо полусферического излучения, ожидаемого от обычной металлической антенны размером 100 микрон.

Это может быть использовано для создания практических терабитно-скоростных беспроводных сетей для smartphone и компьютеров, избегая при этом потерь мощности, связанных с распространением суб-ТГц радиоволн через атмосферу. Чем бы ни закончилась эта история, она является еще одним примером того, на какие новые виды поведения способен графен.

Нано
Эта схематическая иллюстрация графеновой плазмонной наноантенны показывает, как коротковолновые электромагнитные волны преобразуются в длинноволновые поверхностные плазмонные поляритоны в графеновом слое.