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Un equipo de investigadores de la Universidad de Cambridge han desentrañado uno de los misterios del electromagnetismo, que podría permitir el diseño de antenas suficientemente pequeñas para ser integradas en un chip electrónico. Estas ultra-pequeñas antenas – la llamada «última frontera» del diseño de semiconductores – serían un enorme avance para las comunicaciones inalámbricas.

En los nuevos resultados publicados en la revista Physical Review Letters, los investigadores han propuesto que las ondas electromagnéticas se generan no sólo de la aceleración de los electrones, sino también de un fenómeno conocido como ruptura de la simetría. Además de las implicaciones para las comunicaciones inalámbricas, el descubrimiento podría ayudar a identificar los puntos en los que las teorías del electromagnetismo clásico y la mecánica cuántica se superponen.

El fenómeno de la radiación debido a la aceleración de electrones, identificado por primera vez hace más de un siglo, no tiene contrapartida en la mecánica cuántica, donde se supone que los electrones saltan de mayor a menor estados de energía. Estas nuevas observaciones de radiación resultantes de ruptura de simetría del campo eléctrico pueden proporcionar algún vínculo entre los dos campos.

El propósito de cualquier antena, ya sea en una torre de comunicaciones o un teléfono móvil, es lanzar energía al espacio libre en forma de ondas electromagnéticas o de radio, y recoger la energía desde el espacio libre para alimentar el dispositivo. Uno de los mayores problemas en la electrónica moderna, sin embargo, es que las antenas son todavía bastante grandes e incompatibles con los circuitos electrónicos – que son ultra-pequeños y cada vez más pequeños.

«Las antenas, son uno de los factores limitantes cuando se trata de hacer los sistemas cada vez más pequeños, ya que por debajo de un cierto tamaño, las pérdidas llegan a ser demasiado grandes«, dijo el profesor Gehan Amaratunga del Departamento de Ingeniería de Cambridge, quien dirigió la investigación. «El tamaño de una antena está determinada por la longitud de onda asociada con la frecuencia de transmisión de la solicitud, y en la mayoría de los casos se trata de una cuestión de encontrar un compromiso entre el tamaño de la antena y las características requeridas para esa aplicación.»

Otro desafío con las antenas es que ciertas variables físicas asociadas con la radiación de la energía no se comprenden bien. Por ejemplo, todavía no existe un modelo matemático bien definido relacionado con el funcionamiento de una antena práctica. La mayor parte de lo que sabemos sobre la radiación electromagnética proviene de las teorías propuestas por primera James Clerk Maxwell en el siglo 19, las cuales afirman que la radiación electromagnética es generada por la aceleración de los electrones.

Sin embargo, esta teoría se vuelve problemática cuando se trata de emisión de ondas de radio en un dieléctrico sólido, un material que normalmente actúa como  aislante, lo que significa que los electrones no son libres de moverse. A pesar de esto, los resonadores dieléctricos ya se utilizan como antenas de los teléfonos móviles, por ejemplo.

«En antenas dieléctricas, el medio tiene una alta permisividad, lo que significa que la velocidad de la onda de radio disminuye a medida que entra en el medio«, dijo el Dr. Dhiraj Sinha, autor principal del artículo. «Lo que no se sabe es cómo son los resultados del medio dieléctrico en la emisión de ondas electromagnéticas. Este misterio ha desconcertado a los científicos e ingenieros desde hace más de 60 años.»

Trabajando con investigadores del Laboratorio Nacional de Física y la compañía de antenas dieléctricas Antenova Ltd, con sede en Cambridge, el equipo de Cambridge utilizó películas delgadas de materiales piezoeléctricos, un tipo de aislante que se deforma o vibra cuando se aplica voltaje. Encontraron que a una cierta frecuencia, estos materiales se vuelven no solo resonadores eficientes, sino también radiadores eficientes,  lo que significa que se pueden utilizar como antenas.

Los investigadores determinaron que la razón de este fenómeno es debido a la ruptura de simetría del campo eléctrico asociado con la aceleración de electrones. En física, la simetría es una indicación de una característica constante de un aspecto particular en un sistema dado. Cuando las cargas electrónicas no están en movimiento, hay simetría del campo eléctrico.

La ruptura de la simetría también se puede aplicar en casos tales como un par de alambres paralelos en el que los electrones se puede acelerar mediante la aplicación de un campo eléctrico oscilante. «En las antenas, la simetría del campo eléctrico se rompe ‘explícitamente’, lo que conduce a un patrón de líneas de campo eléctrico que irradian desde un transmisor, como un sistema de dos hilos en el que la geometría paralela está rota«, dijo Sinha.

Los investigadores encontraron que, al someter las delgadas películas piezoeléctricas a una excitación asimétrica, la simetría del sistema se divide de manera similar, lo que resulta en una ruptura de simetría correspondiente del campo eléctrico, y la generación de radiación electromagnética.

La radiación electromagnética emitida a partir de materiales dieléctricos es debido a la aceleración de los electrones en los electrodos metálicos unidos a ellos, como Maxwell predijo, junto con la ruptura explícita de simetría del campo eléctrico.

«Si desea utilizar estos materiales para transmitir energía, tiene que romper la simetría, así como tener electrones acelerados – esta es la pieza que falta en el rompecabezas de la teoría electromagnética«, dijo Amaratunga. «No estoy sugiriendo que hemos llegado a alguna gran teoría unificada, pero estos resultados a ayudar a la comprensión de cómo el electromagnetismo y la mecánica cuántica se cruzan y se unen. Esto abre toda una serie de posibilidades para explorar.»

Las futuras aplicaciones de este descubrimiento son importantes, no solo para la tecnología móvil que usamos todos los días, sino también ayudará en el desarrollo y aplicación de la internet de las cosas: la computación ubicua, donde casi todo en nuestros hogares y oficinas, desde tostadoras a termostatos, estarán conectados a  internet. Para estas aplicaciones, se requieren miles de millones de dispositivos, y la capacidad de adaptarse a un ultra-pequeña antena en un chip electrónico,  sería un enorme salto hacia adelante.

Los materiales piezoeléctricos se pueden hacer con formas de película fina utilizando materiales como el niobato de litio, nitruro de galio y arseniuro de galio. Amplificadores y filtros basados en arseniuro de galio ya están disponibles en el mercado y este nuevo descubrimiento abre nuevas formas de integración de antenas en un chip junto con otros componentes.

«En realidad es una cosa muy simple«, dijo Sinha. «Hemos logrado un avance real aplicación, después de haber adquirido una comprensión de cómo funcionan estos dispositivos.»

La investigación ha sido financiada en parte por el Centro de Investigación de Nokia, el Cambridge Commonwealth Trust y la Fundación Wingate. El apoyo adicional fue proporcionada a través de la Agencia de Desarrollo del Este de Inglaterra, Cambridge Emprendedores Universitarios, y la inversión de Cambridge Angels.

Fuente: EurekAlerts¡