Prédire comment les ondes électromagnétiques interagissent avec les matériaux aux plus petites échelles

Anonim

Les ingénieurs de UCLA Samueli ont développé un nouvel outil pour modéliser la manière dont les matériaux magnétiques, utilisés dans les smartphones et autres appareils de communication, interagissent avec les signaux radio entrants qui transportent des données. Il prédit avec précision ces interactions aux échelles nanométriques requises pour construire des technologies de communication de pointe.

L'outil permet aux ingénieurs de concevoir de nouvelles classes de composants à base de radiofréquences capables de transporter de grandes quantités de données plus rapidement et avec moins d'interférences sonores. Les cas d'utilisation futurs incluent les smartphones sur les dispositifs de surveillance de la santé implantables.

Les matériaux magnétiques peuvent s’attirer ou se repousser en fonction de leur orientation polaire - les extrémités positives et négatives s’attirent mutuellement, tandis que deux éléments positifs ou deux négatifs se repoussent. Lorsqu'un signal électromagnétique, tel qu'une onde radio, traverse de tels matériaux, un matériau magnétique agit comme un garde-porte, laissant entrer les signaux souhaités, tout en écartant les autres. Ils peuvent également amplifier le signal ou atténuer la vitesse et la force du signal.

Les ingénieurs ont utilisé ces effets de type gatekeeper, appelés «interactions matériau-vague», pour rendre les appareils utilisés dans les technologies de communication pendant des décennies. Par exemple, ceux-ci incluent des circulateurs qui envoient des signaux dans des directions spécifiques ou des limiteurs de fréquence sélectifs qui réduisent le bruit en supprimant la force des signaux indésirables.

Les outils de conception actuels ne sont pas suffisamment complets et précis pour capturer une image complète du magnétisme dans les systèmes dynamiques, tels que les dispositifs implantables. Les outils ont également des limites dans la conception de l’électronique grand public.

"Notre nouvel outil informatique résout ces problèmes en donnant aux concepteurs d’électronique une voie claire pour déterminer comment les matériaux potentiels seraient utilisés au mieux dans les dispositifs de communication", a déclaré Yuanxun "Ethan" Wang, professeur d’ingénierie électrique et informatique. "Branchez les caractéristiques de la vague et du matériau magnétique, et les utilisateurs peuvent facilement modéliser des effets à l'échelle nanométrique rapidement et avec précision. À notre connaissance, cet ensemble de modèles est le premier à incorporer toute la physique critique nécessaire pour prédire le comportement dynamique."

L'étude a été publiée dans le numéro de juin 2018 de l' IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques .

L'outil informatique est basé sur une méthode qui résout conjointement les équations bien connues de Maxwell, qui décrivent le fonctionnement de l'électricité et du magnétisme et l'équation de Landau-Lifshitz-Gilbert, qui décrit comment la magnétisation se déplace à l'intérieur d'un objet solide.

L'auteur principal de l'étude, Zhi Yao, est chercheur postdoctoral dans le laboratoire de Wang. Les co-auteurs sont Rustu Umut Tok, chercheur postdoctoral au laboratoire de Wang, et Tatsuo Itoh, professeur distingué de génie électrique et informatique à UCLA et titulaire de la chaire Northrop Grumman en génie électrique. Itoh est également le co-conseiller de Yao.

L'équipe travaille à améliorer l'outil pour prendre en compte plusieurs types de matériaux magnétiques et non magnétiques. Ces améliorations pourraient l'amener à devenir un «solveur universel», capable de prendre en compte tout type d'onde électromagnétique interagissant avec n'importe quel type de matériau.

Le groupe de recherche de Wang a récemment reçu une subvention de 2, 4 millions de dollars de l'Agence du projet de recherche avancée de la Défense pour étendre la capacité de modélisation de l'outil afin d'inclure des propriétés matérielles supplémentaires.

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