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Nuevo descubrimiento en electromagnetismo posibilita antenas en un ‘chip’
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¡
Nano-antenas de grafeno pueden permitir redes de pequeñas máquinas
Las redes de máquinas a escala nanométrica ofrecen interesantes aplicaciones potenciales en la medicina, la industria, la protección del medio ambiente y la defensa, pero hasta ahora hay un problema: la limitada capacidad de las antenas a nanoescala fabricadas a partir de componentes metálicos tradicionales.
Con antenas hechas de materiales convencionales como el cobre, la comunicación entre nanomáquinas de baja potencia sería virtualmente imposible. Pero mediante el aprovechamiento de las propiedades electrónicas únicas del material conocido como grafeno, los investigadores ahora creen que están en el buen camino para conectar dispositivos alimentados por pequeñas cantidades de energía.
Sobre la base de una red de nido de abeja de átomos de carbono, el grafeno podría generar un tipo de onda de superficie electrónica que permitiría antenas de sólo una micra de largo y de 10 a 100 nanómetros de ancho para hacer el trabajo de antenas mucho más grandes. Mientras que como operan estas nano-antenas aún no se han demostrado, los investigadores dicen que sus modelos matemáticos y las simulaciones muestran que las nano-redes que utilizan el nuevo enfoque son factibles con el material alternativo.
«Estamos explotando la propagación peculiar de los electrones en el grafeno para hacer una pequeña antena que pueda irradiar frecuencias mucho más bajas que las antenas metálicas clásicas del mismo tamaño», dijo Ian Akyildiz, profesor Ken Byers en la Escuela de Ingeniería Eléctrica y Ingeniería Informática en el Instituto de Tecnología de Georgia. «Creemos que esto es sólo el comienzo de un nuevo paradigma de las comunicaciones en red y basada en el uso de grafeno.»
Patrocinado por la Fundación Nacional para la Ciencia, la investigación está programada para ser publicada en la revista IEEE Journal of Selected Areas in Communications (IEEE JSAC). Además de las antenas a nanoescala, los investigadores también están trabajando en transceptores a nanoescala basados ??en el grafeno y los protocolos de transmisión que serían necesarios para la comunicación entre las nanomáquinas.
El desafío es que en las comunicaciones en la escala del micrón, las antenas metálicas tendrían que operar a frecuencias de cientos de terahercios. Si bien esas frecuencias pueden ofrecer ventajas en la velocidad de comunicación, su rango estaría limitado por las pérdidas de propagación a unos pocos micrómetros. Y ellos requieren mucha potencia – más que las nanomáquinas pueden tener.
Akyildiz ha estudiado nanonetworks desde finales de 1990, y llegó a la conclusión de que la comunicación electromagnética tradicional entre estas máquinas podría no ser posible. Pero entonces él y su Ph.D. estudiante, Josep Jornet – quien se graduó en agosto de 2013 y ahora es profesor adjunto en la Universidad Estatal de Nueva York en Buffalo – comenzó a leer acerca de las sorprendentes propiedades del grafeno. Estaban especialmente interesados en cómo se comportan los electrones en las hojas de una sola capa de material.
«Cuando los electrones en el grafeno son excitados por una onda electromagnética entrante, por ejemplo, empiezan a moverse hacia atrás y adelante», explicó Akyildiz. «Debido a las propiedades únicas del grafeno, esta oscilación global de la carga eléctrica se traduce en una onda electromagnética confinada en la parte superior de la capa de grafeno.»
Conocido técnicamente como surface plasmon polariton (SPP) wave, el efecto será permitir que las nano-antenas puedan operar en el extremo inferior del rango de frecuencia de terahercios, entre 0,1 y 10 terahercios – en lugar de al 150 terahertz requerido por las antenas de cobre tradicionales en tamaños nanométricos. Para la transmisión, las ondas de SPP se pueden crear mediante la inyección de electrones en la capa dieléctrica por debajo de la hoja de grafeno.
Los materiales tales como oro, plata y otros metales nobles también pueden apoyar la propagación de las ondas SPP, pero sólo en frecuencias mucho más altas que el grafeno. Los materiales convencionales como el cobre no son compatibles con las ondas.
Al permitir la propagación electromagnética a frecuencias de terahercios inferiores, las ondas SPP requieren menos energía – poniéndolas al alcance de lo que podría ser factible para nanomáquinas operadas por tecnología de recolección de energía por primera vez por Zhong Lin Wang, profesor en Georgia Tech’s School of Materials Science and Engineering.
«Con esta antena, podemos reducir la frecuencia en dos órdenes de magnitud y reducir las necesidades de energía de cuatro órdenes de magnitud», dijo Jornet. «Con el uso de esta antena, creemos que las técnicas de recolección de energía desarrolladas por el Dr. Wang nos daría la energía suficiente para crear un enlace de comunicaciones entre las nanomáquinas.»
Las nanomáquinas en la red de Akyildiz y Jornet Envision incluirían varios componentes integrados. Además de los nanogeneradores de recolección de energía, habría detectores a nanoescala, procesamiento y memoria, las tecnologías que están en desarrollo por otros grupos. La antena y el transceptor de trabajo a nanoescala que se realiza en Georgia Tech permitiría que los dispositivos se comuniquen la información tienen la sensación y el proceso con el mundo exterior.
«Cada uno de estos componentes podría tener una medida a escala nanométrica, pero en total tendríamos una máquina de medición de unos pocos micrómetros», dijo Jornet. «Habría un montón de ventajas y desventajas en el uso y el tamaño de la energía.»
Más allá de dar a las nanomáquinas la capacidad de comunicarse, cientos o miles de conjuntos de antena de transceptor de grafeno podrían ser combinados para ayudar a que los teléfonos celulares y portátiles conectados a internet se comunican más rápido.
«La banda de terahercios puede aumentar las tasas actuales de datos en las redes inalámbricas en más de dos órdenes de magnitud», señaló Akyildiz. «Los tipos de datos en los sistemas celulares actuales son hasta un gigabit por segundo en redes LTE avanzadas o 10 gigabits por segundo en las llamadas ondas milimétricas o sistemas de 60 gigahertz. Esperamos que la transmisión de datos en el orden de los terabits por segundo en la banda de terahertz «.
Las propiedades únicas de grafeno, Akyildiz dice, son fundamentales para esta antena – y otros dispositivos electrónicos en el futuro.
«El grafeno es un nanomaterial muy poderoso que dominará nuestras vidas en el próximo medio siglo», dijo. «La comunidad europea va a apoyar un gran consorcio formado por muchas universidades y empresas con una inversión de mil millones de euros para llevar a cabo la investigación sobre este material.»
Hasta ahora, los investigadores han evaluado numerosos diseños nano-antena utilizando técnicas de modelado y simulación en el laboratorio. El siguiente paso será el de fabricar en realidad una nano-antena y operar utilizando un transceptor también basado en el grafeno.
«Nuestro proyecto muestra que el concepto de nano-antenas basadas ??en el grafeno es factible, sobre todo si se tiene en cuenta los modelos muy precisos de transporte de electrones en el grafeno», dijo Akyildiz. «Quedan muchos retos abiertos, pero este es un primer paso hacia la creación de nanomáquinas avanzada con muchas aplicaciones en los campos biomédicos, ambientales, industriales y militares.»
La investigación descrita aquí fue apoyada por la National Science Foundation bajo el número de concesión CCF-1349828. Las opiniones o conclusiones son las de los autores y no necesariamente reflejan los puntos de vista oficiales de la NSF.
Georgia Institute of Technology (2013, December 12). Graphene-based nano-antennas may enable networks of tiny machines. ScienceDaily.
Antenas moleculares
Unos científicos han usado dos moléculas como antenas y han conseguido transmitir señales en forma de fotones individuales, desde una a la otra.
Una conexión de radio establecida mediante fotones individuales sería ideal para diversas aplicaciones de comunicación cuántica, como por ejemplo en la criptografía cuántica o en una computadora cuántica.
Las partículas individuales de luz son el medio elegido para transmitir bits cuánticos. En el futuro, estas unidades de información cuántica podrían sustituir en muchas aplicaciones a los bits convencionales si la computación cuántica logra despegar.
Puesto que un fotón solo no acostumbra a interactuar mucho con una molécula, los físicos tuvieron que usar ciertos «trucos» en sus experimentos, a fin de conseguir que la molécula receptora registrara la señal luminosa. Se valieron de dos capas dopadas con moléculas de tinte, separadas por varios metros y conectadas por un cable de fibra óptica. Y se trabajó con muestras enfriadas hasta 272 grados Celsius bajo cero, es decir, casi hasta el cero absoluto aproximadamente 273,15 grados bajo cero.
Fuente: NANOTECNOLOGIA UDLAP
Antenas a partir de un aerosol
Desarrollada por una empresa estadounidense, una capa de nanocondensadores se comporta como una antena de radio adecuada para un teléfono móvil u otro dispositivo inalámbrico. Bajo forma de pintura en aerosol, se puede aplicar a cualquier superficie. Lo que convierte cualquier objeto en la antena.
Aumente el rendimiento de una antena con la ayuda de una pintura en aerosol aplicada sobre cualquier superficie, esto es lo que la sociedad estadounidense Chamtech promete. Esta tecnología fue presentada en un evento oarganizado por Google, llamado Solve for X.
El recubrimiento en cuestión se aplica por medio de un aerosol y mejora la recepción y transmisión de un teléfono móvil celular, por ejemplo. El cuadro en cuestión se puede utilizar en distintas superficies, como paredes, ropa, carretera o incluso árboles. Se compone de miles de nanocondensadores que se cargan y descargan en tiempo real y no generan calor, que de acuerdo Chamtech sigue siendo escaso con los detalles técnicos debido a que su invento fue usado inicialmente en aplicaciones se encuentran en el ejército.
¿Para qué aplicaciones?
El recubrimiento, por ejemplo, se ha aplicado al tronco de un árbol en el bosque para convertirlo en antena VHF cuya señal fue recogida por un avión a una altitud de 22 km. Ensayos con un iPhone de tercera generación han mejorado en un 10% el rendimiento de su antena. El revestimiento es Chamtech ha conseguido aumentar el alcance de un chip RFID de 1.5 metros a más de 210 metros.
Esta tecnología también podría ser utilizado en caso de desastre natural para recuperar rápidamente la cobertura de la red. Chamtech dijo que patentó las partes esenciales de su tecnología y ahora tiene que hacer frente a los mercados de consumo. Según Anthony Sutera, cofundador de Chamtech, la fumigación aérea podría ser utilizada por los fabricantes de automóviles, en el sector de la construcción, fabricantes de productos electrónicos,y también en la comunicación con los equipos de rescate e incluso bajo el agua oceanógrafos y técnicos (soldadores, montadores, buceadores profesionales).
Nueva arquitectura para ordenadores cuánticos, basada en antenas cuanticas
El grupo de investigación dirigido por el físico austríaco Rainer Blatt ha sugerido una nueva arquitectura fundamental para la computación cuántica. Han mostrado experimentalmente una antena cuántica, que permitirá el intercambio de información cuántica entre dos celdillas de memoria independientes, situadas en un chip de ordenador. Esto ofrece nuevas oportunidades para construir ordenadores cuánticos prácticos.
Hace seis años, los científicos de la Universidad de Innsbruck fueron los pioneros -un ordenador cuántico con ocho partículas cuánticas entrelazadas, un récord que sigue en pie. «Sin embargo, para hacer uso práctico de un ordenador cuántico que realice cálculos, se necesitan muchos más bits cuánticos», afirma el profesor Rainer Blatt, quien, con su equipo de investigación en el Instituto de Física Experimental, creó un byte cuántico por primera vez, en un trampa electromagnética de iones. «En estas trampas no podemos manejar un gran número de iones y el controlarlos a la vez.» Para resolver este problema, los científicos han comenzado a diseñar un ordenador cuántico basado en un sistema de muchos registros pequeños, que tienen que ser vinculados. Para lograr esto , los físicos cuánticos de Innsbruck han desarrollado un enfoque revolucionario sobre la base de un concepto formulado por los físicos teóricos Ignacio Cirac y Peter Zoller. En su experimento, los físicos han acoplado electromagnéticamente dos grupos de iones a una distancia de unos 50 micrómetros. Aquí, el movimiento de la partículas sirve como una antena. «Las partículas como los electrones oscilan en los polos de una antena de televisión y así generan un campo electromagnético», explica Blatt. «Si una antena se sintoniza a la otra, el extremo receptor recoge la señal de la del emisor, lo que resulta en acoplamiento. «El intercambio de energía que tienen lugar en este proceso podría ser la base para las operaciones de cálculo fundamentales de un ordenador cuántico.
Antenas para amplificar la transmisión
«Hemos implementado este nuevo concepto de una manera muy simple», explica Rainer Blatt. En una trampa de iones en miniatura se creó un doble pozo de potencial, atrapando los iones de calcio. Los dos pozos fueron separados por 54 micrómetros. «Al aplicar un voltaje a los electrodos de la trampa de iones, que fueron capaces de igualar las frecuencias de oscilación de los iones», dice Blatt. «Esto dio lugar a un proceso de acoplamiento y un intercambio de energía, que puede ser utilizado para transmitir información cuántica.» Un acoplamiento directo de dos oscilaciones mecánicas a nivel cuántico no se ha demostrado antes. Además, los científicos muestran que el acoplamiento es amplificado por el uso de más iones en cada pocillo. «Estos iones funcionan adicionalmente como antenas y aumentan la distancia y la velocidad de la transmisión», dijo Rainer Blatt, quien está muy entusiasmado con el nuevo concepto. Este trabajo constituye un enfoque prometedor para la construcción de una computadora cuántica que funcione plenamente. «La nueva tecnología ofrece la posibilidad de entrelazamiento distribuido. Al mismo tiempo, somos capaces de dirigirnos a cada célula de memoria de forma individual «, explica Rainer Blatt. El nuevo ordenador cuántico podría estar basado en un chip con muchas microtrampas, donde los iones se comunican entre sí a través de acoplamiento electromagnético. Este nuevo enfoque representa un paso importante hacia las tecnologías cuánticas prácticas para el procesamiento de información.
Fuente: Next Big Future
David Trueba se alinea con los ‘conspiranoicos’ antiantenas y antiWi-Fi
Es posible que David Trueba sepa de televisión; pero lo que está claro es que no sabe nada de ciencia. Lo demuestra hoy en su columna de la sección Pantallas de El País. El escritor y cineasta hace en «Bromear con cosas serias» un alegato conspiranoico antiantenas y antiWi-Fi, fundamentado en la comparación de churras con merinas y en el desconocimiento de cómo funciona la ciencia.
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El escritor saca todo esto a cuento porque El País nos informó ayer de los resultados de un estudio científico -de los de verdad, no de los que él califica de tales- según el cual vivir en España cerca de una central nuclear no conlleva un incremento del riesgo a sufrir cáncer. Trueba no se traga las conclusiones de ese trabajo como no se traga los de los, según él, estudios científicos de los productores de jamón y videojuegos. Compara churras con merinas, ciencia con propaganda, las conclusiones de una investigación realizada por el Consejo de Seguridad Nuclear (CSN) y el Instituto de Salud Carlos III con el comunicado de prensa del departamento de marketing de la cervecera de turno. Hace demagogia desde la ignorancia de cómo funciona la ciencia y utiliza para ello una privilegiada tribuna que usa irresponsablemente. Mejor que hable de televisión, que es para lo que le contrataron e igual de eso entiende.
Artículo completo en: Magonia
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