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Un mejor resonador
Investigadores del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) y la Universidad de Colorado en Boulder han dado un paso importante hacia la fabricación de resonadores a nanoescala que podrían usarse en dispositivos de comunicaciones. Los investigadores han cultivado nanocables de nitruro de galio que muestran propiedades mucho más adecuadas para tales usos que otras nanoestructuras de tamaños similares.
Buenas vibraciones: Los investigadores del NIST han desarrollado nanocables hexagonales de nitruro de galio que vibran solo dentro de un rango muy estrecho de frecuencias. Los nanocables podrían reemplazar los voluminosos resonadores de cristal de cuarzo que se encuentran en los teléfonos celulares.
Los resonadores son una parte integral de los receptores de radio y los teléfonos móviles. Típicamente hechos de cristales de cuarzo, estos dispositivos realizan la función crítica de seleccionar la frecuencia de la señal de radio relevante de la cacofonía de transmisiones en las ondas de radio. Si bien los cristales de cuarzo funcionan muy bien, son voluminosos. Si nos fijamos en los chips de los teléfonos móviles, los resonadores son enormes en comparación con el resto de los circuitos, dice el investigador del NIST Kris Bertness, coautor de la Letras de física aplicada papel que describe el nuevo trabajo. Los resonadores de cristal ocupan áreas de milímetros cuadrados, mientras que la electrónica de control ocupan micrómetros cuadrados, dice ella.
Los investigadores han estado intentando construir dispositivos a micro y nanoescala para reemplazar los resonadores de cuarzo. El problema es que, a medida que los resonadores se reducen de tamaño, no funcionan tan bien. En el pasado, los investigadores fabricaron resonadores utilizando nanocadenas de silicio y nanotubos de carbono; los nanocables cultivados por el equipo de NIST / Colorado funcionan al menos 10 veces mejor que cualquiera de estos.
Los resonadores en receptores de radio y teléfonos celulares funcionan vibrando dentro de una banda estrecha de frecuencias, vibrando más en la frecuencia central de la banda, llamada frecuencia de resonancia. Para determinar qué tan bien funciona un resonador, los ingenieros miden su factor de calidad o factor Q. Esto depende del ancho de esta banda de frecuencia: cuanto más estrecha es, mayor es el factor Q y mejor es un resonador para filtrar una frecuencia de radio particular de las señales vecinas. Los cristales de cuarzo tienen factores Q altos, que van desde 10,000 a 1,000,000.
Los esfuerzos para construir resonadores más pequeños a partir de nanotubos de silicio y carbono se han visto obstaculizados por la física simple: a medida que los dispositivos se encogen, sus factores Q disminuyen. Esto se debe a que a nanoescala, incluso las impurezas o defectos más pequeños en la superficie del dispositivo afectan sus vibraciones. Incluso las moléculas de gas que se adhieren a la superficie pueden cambiar la masa de la nanoestructura, amortiguando sus vibraciones y reduciendo el factor Q.
Sin embargo, los nuevos nanocables de nitruro de galio superan algunas de las limitaciones a las que se enfrentan las nanoestructuras. Bertness y sus colegas hacen crecer los nanocables hexagonales en un sustrato de silicio utilizando un método fácil y barato compatible con las técnicas utilizadas para fabricar microchips; Reemplazar los resonadores de cuarzo con nanocables desarrollados de esta manera podría reducir los costos de fabricación de los teléfonos celulares. Los nanocables tienen diámetros entre 30 y 500 nanómetros y longitudes de 5 a 20 micrómetros. Los cables no tienen defectos de cristal y tienen muy pocas impurezas químicas, dice Bertness. Como resultado, tienden a no recoger mucha basura del medio ambiente y son muy suaves. Debido a esto, vibran de manera estable en sus frecuencias de resonancia y tienen valores altos de Q.
Para medir la eficacia de los nuevos nanocables, los investigadores utilizaron un dispositivo piezoeléctrico, uno que convierte las señales eléctricas en vibraciones mecánicas, para agitar los nanocables a diferentes frecuencias. Luego utilizaron un microscopio electrónico de barrido (SEM) para observar la vibración del cable y calcular su frecuencia de resonancia y factor Q. Los valores de Q oscilaron entre 2700 y 60 000, hasta 10 veces más altos que los medidos por resonadores a nanoescala experimentales anteriores.
Los valores muy variables son el resultado de limitaciones en la técnica de medición SEM, dice Bertness. De hecho, los valores de Q cambiaron con diferentes medidas incluso en el mismo cable. Bertness dice que esto se debe a que el intenso haz de electrones hace que las moléculas de carbono en el aire se depositen en el nanoalambre, amortiguando sus vibraciones.
Hong Tang , profesor de ingeniería eléctrica en la Universidad de Yale, que también trabaja en resonadores a nanoescala, se muestra escéptico sobre los resultados de los investigadores. Él dice que la combinación de una agitación piezoeléctrica con la detección SEM aumenta artificialmente el valor Q. Debido a que SEM usa un haz de electrones muy enfocado, dice, si el nanocable vibra más que el tamaño del punto del haz, la medición del desplazamiento del cable no es precisa. La suposición de Tang es que los factores Q reales probablemente sean más bajos que los valores reportados, aunque es probable que aún sean más altos que los reportados para los nanocables basados en silicio, que han sido alrededor de 1,000. Él dice que los investigadores tendrían que usar otros métodos de medición para verificar los factores Q de sus nanocables.
Bertness reconoce la necesidad de mejores mediciones y agrega que el nano resonador está lejos de ser práctico en este momento. Para ser utilizado en un receptor de teléfono celular, el nanoalambre tendrá que ser impulsado por una señal eléctrica, no por sacudidas mecánicas. Debido a que el nitruro de galio es piezoeléctrico, los investigadores creen que esto debería ser posible, dice, y ahora están tratando de probar esa teoría.