Voor draadloze communicatie, we zitten allemaal vast op dezelfde door het verkeer verstopte snelweg - het is een deel van het elektromagnetische spectrum dat bekend staat als radiogolven.

Ontwikkelingen hebben de snelweg efficiënter gemaakt, maar bandbreedteproblemen blijven bestaan ​​naarmate draadloze apparaten toenemen en de vraag naar gegevens groeit. De oplossing kan een nabijgelegen, grotendeels onontgonnen gebied van het elektromagnetische spectrum dat bekend staat als de terahertz-band.

"Voor draadloze communicatie, de terahertz-band is als een expresbaan. Maar er is een probleem:er zijn geen opritten, " zegt Josep Jornet, doctoraat, assistent-professor bij de afdeling Elektrotechniek aan de Universiteit van Buffalo School of Engineering and Applied Sciences.

Jornet is de hoofdonderzoeker van een driejarig, $ 624, 497 subsidie ​​van het U.S. Air Force Office of Scientific Research om een ​​draadloos communicatienetwerk in de terahertz-band te helpen ontwikkelen. Co-hoofdonderzoekers zijn Jonathan Bird, doctoraat, hoogleraar elektrotechniek, en Erik Einarsson, doctoraat, universitair docent elektrotechniek, beide aan de UB.

Hun werk is gericht op het ontwikkelen van extreem kleine radio's - gemaakt van grafeen en halfgeleidende materialen - die korteafstands-, snelle communicatie.

De technologie zou uiteindelijk de tijd kunnen verkorten die nodig is om complexe taken uit te voeren, zoals het migreren van de bestanden van de ene computer naar de andere, van uren tot seconden. Andere mogelijke toepassingen zijn onder meer implanteerbare lichaamsnanosensoren die zieke of risicovolle mensen monitoren, en nanosensoren geplaatst op verouderende bruggen, in vervuilde waterwegen en andere openbare locaties om ultra-high-definition streaming te bieden.

Dit zijn voorbeelden van het zogenaamde Internet of Nano-Things, een toneelstuk over het meer algemene internet der dingen, waarin alledaagse voorwerpen via sensoren worden aangesloten op de cloud, microprocessoren en andere technologie.

"We zullen in staat zijn om zeer nauwkeurige, gedetailleerde en tijdige kaarten van wat er binnen een bepaald systeem gebeurt. De technologie heeft toepassingen in de zorg, landbouw, energie-efficiëntie - eigenlijk alles waar u meer gegevens over wilt, ' zegt Jornet.

Het onbenutte potentieel van Terahertz-golven

Ingeklemd tussen radiogolven (deel van het elektromagnetische spectrum dat AM-radio, radar en smartphones) en lichtgolven (afstandsbedieningen, glasvezelkabels en meer), het terahertz-spectrum wordt in vergelijking zelden gebruikt.

Op grafeen gebaseerde radio's kunnen een probleem met terahertz-golven helpen oplossen:ze behouden hun vermogensdichtheid niet over lange afstanden. Het is een idee dat Jornet in 2009 begon te studeren als afgestudeerde student aan Georgia Tech onder Ian Akyildiz, doctoraat, Ken Byers leerstoel hoogleraar telecommunicatie.

Grafeen is een tweedimensionale laag koolstof die, behalve dat ze ongelooflijk sterk zijn, dun en licht, heeft prikkelende elektronische eigenschappen. Bijvoorbeeld, elektronen bewegen 50 tot 500 keer sneller in grafeen dan in silicium.

In eerdere onderzoeken is onderzoekers toonden aan dat kleine antennes grafeen strippen van 10-100 nanometer breed en een micrometer lang, gecombineerd met halfgeleidende materialen zoals indium galliumarsenide - kan terahertz-golven verzenden en ontvangen met draadloze snelheden van meer dan één terabit per seconde.

Maar om deze radio's buiten het laboratorium levensvatbaar te maken, de antennes hebben andere elektronische componenten nodig, zoals generatoren en detectoren die in dezelfde omgeving werken. Dit is het werk waar Jornet en zijn collega's zich op richten.

Jornet zegt dat duizenden - misschien wel miljoenen - van deze radio's in een array kunnen samenwerken, waardoor terahertz-golven grotere afstanden kunnen afleggen. De nanosenoren kunnen worden ingebed in fysieke objecten, zoals muren en straatnaamborden, evenals chips en andere elektronische componenten, om een ​​internet van nano-dingen te creëren.

"De mogelijkheden zijn eindeloos, ' zegt Jornet.

Jornet is lid van de Signals, Onderzoeksgroep Communicatie en Netwerken bij de afdeling Elektrotechniek van de UB, terwijl Bird en Einarsson werken in de onderzoeksgroep Solid State Electronics van de afdeling.

Het hierboven beschreven werk is een voorbeeld van de strategie van de afdeling om faculteitsleden in dienst te nemen met complementaire expertise die de convergentie van fundamentele onderzoeksgebieden stimuleren, terwijl nieuwe technologieën worden ontwikkeld en studenten worden opgeleid.