De ingenieurs van UCLA Samueli hebben een nieuwe tool ontwikkeld om te modelleren hoe magnetische materialen, die worden gebruikt in smartphones en andere communicatieapparatuur, interactie met inkomende radiosignalen die gegevens bevatten. Het voorspelt deze interacties nauwkeurig tot op de nanometerschaal die nodig is om state-of-the-art communicatietechnologieën te bouwen.

Met de tool kunnen ingenieurs nieuwe klassen van op radiofrequentie gebaseerde componenten ontwerpen die grote hoeveelheden gegevens sneller kunnen transporteren, en met minder ruisinterferentie. Toekomstige use-cases omvatten smartphones tot implanteerbare apparaten voor gezondheidsbewaking.

Magnetische materialen kunnen elkaar aantrekken of afstoten op basis van hun polaire oriëntatie - positieve en negatieve uiteinden trekken elkaar aan, terwijl twee positieven of twee negatieven afstoten. Wanneer een elektromagnetisch signaal zoals een radiogolf door dergelijke materialen gaat, een magnetisch materiaal werkt als een poortwachter, de signalen binnenlaten die gewenst zijn, maar anderen buitensluiten. Ze kunnen ook het signaal versterken, of de snelheid en sterkte van het signaal dempen.

Ingenieurs hebben deze poortwachter-achtige effecten gebruikt, genaamd "golf-materiaal interacties, " om apparaten te maken die al tientallen jaren in communicatietechnologieën worden gebruikt. deze omvatten circulatiepompen die signalen in specifieke richtingen sturen of frequentie-selectieve begrenzers die ruis verminderen door de sterkte van ongewenste signalen te onderdrukken.

De huidige ontwerptools zijn niet uitgebreid en nauwkeurig genoeg om het volledige beeld van magnetisme in dynamische systemen vast te leggen, zoals implanteerbare apparaten. De tools hebben ook beperkingen in het ontwerp van consumentenelektronica.

"Onze nieuwe rekentool lost deze problemen op door elektronica-ontwerpers een duidelijk pad te geven om uit te zoeken hoe potentiële materialen het best kunnen worden gebruikt in communicatieapparatuur, " zei Yuanxun "Ethan" Wang, een professor in elektrische en computertechniek die het onderzoek leidde. "Sluit de kenmerken van de golf en het magnetische materiaal aan, en gebruikers kunnen nanoschaaleffecten snel en nauwkeurig modelleren. Voor zover we weten, deze set modellen is de eerste die alle kritische fysica bevat die nodig is om dynamisch gedrag te voorspellen."

De studie werd gepubliceerd in het gedrukte nummer van juni 2018 van: IEEE-transacties op microgolftheorie en -technieken .

De rekentool is gebaseerd op een methode die de bekende Maxwell-vergelijkingen gezamenlijk oplost, die beschrijven hoe elektriciteit en magnetisme werken en de Landau-Lifshitz-Gilbert-vergelijking, die beschrijft hoe magnetisatie beweegt in een vast object.

De hoofdauteur van de studie, Zhi Yao, is een postdoctoraal onderzoeker in het laboratorium van Wang. Co-auteurs zijn Rustu Umut Tok, een postdoctoraal onderzoeker in het laboratorium van Wang, en Tatsuo Itoh, een vooraanstaande professor in elektrische en computertechniek aan de UCLA en de Northrop Grumman-leerstoel in elektrotechniek. Itoh is tevens co-adviseur van Yao.

Het team werkt aan het verbeteren van de tool om rekening te houden met meerdere soorten magnetische en niet-magnetische materialen. Deze verbeteringen kunnen ertoe leiden dat het een "universele oplosser, " in staat om rekening te houden met elk type elektromagnetische golf die in wisselwerking staat met elk type materiaal.

Wang's onderzoeksgroep ontving onlangs een subsidie ​​van $ 2,4 miljoen van het Defense Advanced Research Project Agency om de modelleringscapaciteit van de tool uit te breiden met aanvullende materiaaleigenschappen.