(Phys.org) -- Een team van UCLA-onderzoekers heeft de krachtigste hoogwaardige microgolfoscillatoren op nanoschaal ter wereld gemaakt, een ontwikkeling die kan leiden tot goedkopere, energiezuinigere mobiele communicatieapparatuur die een veel betere signaalkwaliteit levert.

De mobiele telefoons van tegenwoordig, WiFi-compatibele tablets en andere elektronische gadgets gebruiken allemaal microgolfoscillatoren, kleine apparaten die de elektrische signalen genereren die in communicatie worden gebruikt. Op een mobiele telefoon, bijvoorbeeld, de zender- en ontvangercircuits bevatten oscillatoren die radiofrequentiesignalen produceren, die vervolgens door de antenne van de telefoon worden omgezet in inkomende en uitgaande elektromagnetische golven.

Huidige oscillatoren zijn op silicium gebaseerd en gebruiken de lading van een elektron om microgolven te creëren. De door de UCLA ontwikkelde oscillatoren, echter, gebruik maken van de spin van een elektron, zoals in het geval van magnetisme, en hebben verschillende grootteorden voordelen ten opzichte van de oscillatoren die tegenwoordig algemeen worden gebruikt.

UCLA's op elektronenspin gebaseerde oscillatoren zijn voortgekomen uit onderzoek aan de UCLA Henry Samueli School of Engineering and Applied Science, gesponsord door de Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA). Dit onderzoek richtte zich op STT-RAM, of magneto-resistief willekeurig toegankelijk geheugen voor spin-overdracht, die een groot potentieel heeft ten opzichte van andere soorten geheugen in termen van zowel snelheid als energie-efficiëntie.

"We realiseerden ons dat de gelaagde structuren op nanoschaal die STT-RAM zo'n geweldige kandidaat voor geheugen maken, ook kunnen worden ontwikkeld voor microgolfoscillatoren voor communicatie, " zei hoofdonderzoeker en co-auteur Kang L. Wang, Raytheon Professor of Electrical Engineering van UCLA Engineering en directeur van het Western Institute of Nanoelectronics (WIN).

de structuren, genaamd spin-transfer nano-oscillators, of STNO's, zijn samengesteld uit twee verschillende magnetische lagen. Eén laag heeft een vaste magnetische poolrichting, terwijl de magnetische richting van de andere laag kan worden gemanipuleerd om te draaien door er een elektrische stroom doorheen te leiden. Hierdoor kan de structuur zeer nauwkeurige oscillerende microgolven produceren.

"Eerder, er was geen demonstratie van een spin-transfer-oscillator met een voldoende hoog uitgangsvermogen en tegelijkertijd een goede signaalkwaliteit, wat de twee belangrijkste meetwaarden van een oscillator zijn - waardoor praktische toepassingen worden voorkomen, " zei co-auteur Pedram Khalili, projectmanager voor de UCLA-DARPA-onderzoeksprogramma's in STT-RAM en niet-vluchtige logica. "We hebben beide eisen in één structuur gerealiseerd."

De SNTO is getest om een ​​recordhoog uitgangsvermogen van bijna 1 microwatt te laten zien, met een record smalle signaallijnbreedte van 25 megahertz. Uitgangsvermogen verwijst naar de sterkte van het signaal, en 1 microwatt is het gewenste niveau voor STNO's om praktisch te zijn voor toepassingen. Ook, een smalle signaallijnbreedte komt overeen met een signaal van hogere kwaliteit bij een bepaalde frequentie. Dit betekent minder ruis en interferentie, voor een schoner spraak- en videosignaal. Het betekent ook dat er meer gebruikers op een bepaalde frequentieband kunnen worden ondergebracht.

In aanvulling, het nieuwe nanoschaalsysteem is ongeveer 10, 000 keer kleiner dan de op silicium gebaseerde oscillatoren die tegenwoordig worden gebruikt. De nano-oscillatoren kunnen eenvoudig worden ingebouwd in bestaande geïntegreerde schakelingen (computerchips), omdat ze compatibel zijn met de huidige ontwerp- en fabricagenormen in de computer- en elektronische apparatenindustrie. En de oscillatoren kunnen worden gebruikt in zowel analoge (spraak) als digitale (data) communicatie, wat betekent dat smartphones er volledig van kunnen profiteren.

"De afgelopen tien jaar we hebben gewerkt aan het realiseren van een nieuw paradigma in nano-elektronica en nano-architecturen, " zei Wang, die ook lid is van het California NanoSystems Institute aan de UCLA. "Dit heeft geleid tot een enorme vooruitgang in geheugenonderzoek. En in diezelfde zin, wij geloven dat deze nieuwe STNO's uitstekende kandidaten zijn om de huidige oscillatoren op te volgen."

De krant, "High-Power Coherente Microgolf Emissie van Magnetische Tunnel Junction Nano-oscillators met Loodrechte Anisotropie, " is online gepubliceerd in het tijdschrift ACS Nano .

Andere belangrijke auteurs zijn onder meer Hongwen Jiang, UCLA hoogleraar natuurkunde en astronomie, en hoofdauteur Zhongming Zeng, voorheen een postdoctoraal onderzoeker in het laboratorium van Jiang en momenteel een professor aan het Suzhou Institute of Nanotech and Nanobionics, Chinese Wetenschapsacademie.