Une fois une barrière de performance, la bizarrerie matérielle pourrait améliorer les télécommunications

Anonim

Les chercheurs qui étudient et manipulent le comportement des matériaux au niveau atomique ont découvert un moyen de fabriquer un matériau mince qui améliore le flux d'énergie micro-ondes. L'avancée, qui pourrait améliorer les télécommunications, apporte un nouvel éclairage sur les caractéristiques structurelles, généralement considérées comme statiques et gênantes, qui, lorsqu'elles sont dynamiques, sont en réalité la clé de la capacité spéciale du matériau.

La découverte, rapportée dans la revue Nature, montre comment les murs de domaines - les frontières naturelles, séparant les atomes avec différentes directions de déplacement relatif, qui créent des dipôles dans un matériau - pourraient en fait constituer une porte d’accès à une gamme beaucoup plus large de fréquences électromagnétiques. Et cet accès pourrait un jour élargir la gamme des fréquences utilisées comme canaux de communication.

Dans cet article, des chercheurs de l'Université Drexel, de l'Université Bar-Ilan en Israël, de l'Université de Californie à Berkeley, de l'Université de Californie à Santa Barbara, de la Carnegie Institution for Science et de l'Université de Pennsylvanie ont montré comment concevoir un matériau ferroélectrique. de telle manière que les murs de domaine puissent être utilisés pour transmettre des micro-ondes avec un degré de contrôle de fréquence plus élevé que les appareils mobiles que nous utilisons actuellement.

"Alors que la demande des consommateurs pour les communications mobiles augmente, le spectre sans fil disponible est de plus en plus encombré et de nouvelles technologies sont nécessaires pour créer des antennes adaptatives et agiles en fréquence", a déclaré Robert York, professeur à UC Santa Barbara. "Les matériaux diélectriques accordables pourraient constituer une solution potentielle."

L'utilisation des parois de domaine dans un matériau pour améliorer sa qualité de transmission est une approche particulièrement inattendue, car la présence de ces limites a tendance à diminuer fortement la capacité d'un matériau à traverser un champ électromagnétique à micro-ondes. Jusqu'à présent, les meilleurs matériaux de film pour transmettre des champs électromagnétiques dans les dispositifs à radiofréquence étaient généralement considérés comme des matériaux monocristallins sans moment dipolaire permanent, sans parler des parois de domaine.

Mais l'équipe de recherche a renversé cette perception des murs de domaine en créant un matériau ferroélectrique à haute densité de parois de domaines, capable de surpasser les monocristaux en matière de syntonisation et de qualité de transmission.

Le groupe a découvert que les parois de domaine d'un mince film de titanate de strontium et de baryum, un matériau ferroélectrique fréquemment étudié, fonctionnent comme des cordes de guitare vibrantes qui résonnent ensemble. Plutôt que d'absorber ou de disperser des micro-ondes, la présence d'un massif dense, mais ordonné, de parois de domaines oscillants améliore réellement la qualité de la transmission.

"Même les monocristaux en vrac de la meilleure qualité, sans dipôles permanents ré-orientables, ont des pertes plus élevées à des fréquences plus élevées en raison des interférences causées par les vibrations des atomes dans le réseau", a déclaré Jonathan Spanier. dirigé la recherche. "Les matériaux de film avec des dipôles permanents forment des murs de domaine et la perte est bien pire. Mais les films qui supportent le mouvement réversible des parois de domaine et leur comportement oscillant brisent cette tendance et résonnent sur une large gamme de fréquences."

Selon les chercheurs, "la proximité et l’accessibilité des variantes de parois de domaines ferroélectriques induites par des contraintes thermodynamiquement prédites pour obtenir une accordabilité hyperfréquence de gigahertz et des pertes diélectriques supérieures de 1 à 2 fois à celles des meilleurs dispositifs actuels, atteignant des valeurs comparables" en vrac des monocristaux, mais dans un matériau intrinsèquement accordable », écrivent-ils dans le journal.

La clé de cette accordabilité exceptionnelle, selon le co-auteur Zongquan Gu, chercheur postdoctoral dans le groupe de recherche de Spanier, est l'abondance de différentes phases, "la température de transition de phase ferroélectrique marque le début de la commande dipolaire permanente. Un pic dans le diélectrique la susceptibilité, une propriété thermodynamique liée à la magnitude de la capacité, est une caractéristique de la transition », a déclaré Gu. "L’ingénierie d’un matériau de film ayant de nombreuses" phases "plus facilement disponibles près de la transition permet au matériau d’atteindre un réglage de capacité beaucoup plus élevé avec la même tension."

Avec Spanier, Gu et Geoffrey Xiao, étudiant de premier cycle à Drexel, ont lancé des efforts théoriques et de simulation pour prédire les paysages énergétiques riches en parois de domaines afin de diriger la production du film de titanate de baryum strontium riche en paroi. Avec les collègues de Spanier à Berkeley, dirigés par Lane Martin, professeur de science des matériaux, un chef de file dans la science des films de domaines ferroélectriques, Gu a également fabriqué et caractérisé les premiers échantillons du matériau en utilisant un processus appelé des murs.

À partir de là, des collaborateurs de l'Université Bar-Ilan en Israël, dirigés par Ilya Grinberg, professeur de chimie, ont simulé le comportement dynamique à l'échelle atomique du film spécial à différentes valeurs de température, de déformation et de champ électrique. Cristal ferroélectrique "parfait" sans aucune paroi de domaine - qui révélait le comportement exceptionnel du matériau.

Cette accordabilité intrinsèque, qui signifie que les excellentes capacités de transmission du matériau ne requièrent aucune amélioration externe électromécanique, la rendent prometteuse pour une utilisation dans les dispositifs de communication, où un accès efficace au spectre est essentiel.

À l'UC Santa Barbara, à York, un professeur de génie électrique et informatique et son étudiant au doctorat, Cedric Meyers, ont fabriqué des structures de test d'électrode qui ont permis de mesurer et d'analyser la réponse résonante résonnante du matériau, notamment son accordabilité.

"Les matériaux diélectriques accordables ont fait l’objet d’investigations dans mon groupe à UCSB depuis la fin des années 1990", a déclaré York. "Malgré quelques progrès, nous nous sommes toujours heurtés à des limitations du matériel mal compris. Ce travail aide à mieux comprendre ces limitations et à identifier des solutions potentielles."

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