Los teléfonos inteligentes tienen un problema de escala. Específicamente, los filtros de radiofrecuencia (RF) que cada teléfono (y cada dispositivo inalámbrico en general) utiliza para extraer información de señales inalámbricas aisladas son demasiado grandes, demasiado planos y demasiado numerosos. Y sin estos filtros, las comunicaciones inalámbricas simplemente no funcionarían en absoluto. «Son literalmente la columna vertebral de los sistemas inalámbricos», dice Roozbeh Tabrizian, investigador de la Universidad de Florida en Gainesville. Por eso Tabrizian y otros investigadores de la Universidad de Florida ha desarrollado ahora un filtro de RF tridimensional alternativo que puede ahorrar espacio en teléfonos inteligentes y dispositivos IoT. Si algún día estos filtros 3D reemplazan las voluminosas pilas de filtros 2D, dejarían más espacio para otros componentes, como las baterías. También podrían facilitar la introducción de comunicaciones inalámbricas en frecuencias de terahercios, un importante rango de espectro que se está investigando para las tecnologías celulares 6G. “Muy pronto, tendremos billones de dispositivos conectados a redes inalámbricas y se necesitan nuevas bandas: solo necesitas toda una gama de frecuencias y toda una gama de filtros”. —Roozbeh Tabrizian, Universidad de Florida Los filtros que utilizan actualmente los dispositivos inalámbricos se denominan resonadores piezoeléctricos planos. Cada resonador tiene un grosor diferente: el grosor específico de un resonador está directamente relacionado con la banda de frecuencias inalámbricas a las que responde el resonador. Cualquier dispositivo inalámbrico que dependa de múltiples bandas de espectro (cada vez más común en la actualidad) requiere cada vez más de estos resonadores planos. Pero la tecnología de resonadores planos ha revelado una serie de debilidades a medida que proliferan las señales inalámbricas y se amplía el espectro en el que se basan esas señales. Una es que cada vez es más difícil hacer que los filtros sean lo suficientemente delgados para las nuevas franjas de espectro que los investigadores inalámbricos están interesados en aprovechar para las comunicaciones de próxima generación. Otro tiene que ver con el espacio. Cada vez resulta más difícil incluir todos los filtros de señal necesarios en los dispositivos. Las aletas verticales para los resonadores de aletas de puerta ferroeléctrica se pueden construir de la misma manera que los semiconductores FinFET. Faysal Hakim/Roozbeh Tabrizian/Universidad de Florida“Muy pronto, Tendrás billones de dispositivos conectados a redes inalámbricas y necesitarás nuevas bandas: sólo necesitas una amplia gama de frecuencias y una amplia gama de filtros”, afirma Tabrizian. “Si abres un celular, hay cinco o seis frecuencias específicas y listo. Cinco o seis frecuencias no pueden soportar eso. Es como si tuvieras cinco o seis calles y ahora quisieras acomodar el tráfico de una ciudad de 10 millones de habitantes”. Para cambiar a un filtro 3D, Tabrizian y sus colegas investigadores tomaron una página de otra industria que hizo el salto a la tercera dimensión: los semiconductores. Cuando, en la búsqueda continua por reducir el tamaño de los chips, parecía que la industria finalmente podría estar llegando al final del camino, un nuevo enfoque que elevó los canales de electrones por encima del sustrato semiconductor dio nueva vida a la Ley de Moore. El diseño del chip se llama FinFET (por “transistor de efecto de campo de aleta”, donde “aleta” se refiere al canal de electrones vertical similar a una aleta de tiburón). “El hecho de que podamos cambiar el ancho de la aleta juega un papel muy importante en haciendo que la tecnología sea mucho más capaz”. —Roozbeh Tabrizian, Universidad de Florida“Definitivamente nos inspiramos [by FinFETS]”, dice Tabrizian. «El hecho de que los transistores planos se convirtieran en aletas fue solo para garantizar que el tamaño efectivo del transistor fuera más pequeño y al mismo tiempo tuviera la misma área activa». A pesar de inspirarse en los FinFET, Tabrizian dice que existen algunas diferencias fundamentales en la forma en que las aletas verticales deben implementarse para los filtros de RF, en comparación con los chips. “Si piensas en FinFET, todas las aletas tienen casi el mismo ancho. La gente no cambia las dimensiones de la aleta”. No ocurre lo mismo con los filtros, que deben tener aletas de diferentes anchos. De esa manera, cada aleta del filtro se puede sintonizar a diferentes frecuencias, lo que permite que un filtro 3D procese múltiples bandas de espectro. «El hecho de que podamos cambiar el ancho de la aleta juega un papel muy importante a la hora de hacer que la tecnología sea mucho más capaz», dice Tabrizian. El grupo de Tabrizian ya ha fabricado múltiples filtros tridimensionales, llamados resonadores de aleta de puerta ferroeléctrica (FGF), que abarcaba frecuencias entre 3 y 28 gigahercios. También construyeron un procesador espectral compuesto por seis resonadores FGF integrados que cubrían frecuencias entre 9 y 12 GHz (a modo de comparación, el codiciado espectro de banda media de 5G se encuentra entre 1 y 6 GHz). Los investigadores publicaron su trabajo en enero en Nature Electronics. Aún es temprano para el desarrollo de filtros 3D, y Tabrizian reconoce que el camino por recorrer es largo. Pero, inspirándose nuevamente en los FinFET, ve un camino claro de desarrollo para los resonadores FGF. «La buena noticia es que ya podemos adivinar cuáles son muchos de estos desafíos al observar la tecnología FinFET», dice. Incorporar algún día resonadores FGF en dispositivos comerciales requerirá resolver varios problemas de fabricación, como descubrir cómo aumentar la densidad de aletas en el filtro y mejora de los contactos eléctricos. «Afortunadamente, como ya tenemos FinFET analizando muchas de estas respuestas, la parte de fabricación ya se está abordando», afirma Tabrizian. Una cosa en la que el grupo de investigación ya está trabajando es en el kit de diseño de procesos, o PDK, para resonadores FGF. Los PDK son comunes en la industria de los semiconductores y funcionan como una especie de guía para que los diseñadores fabriquen chips basados en componentes detallados por una fundición de chips. Tabrizian también ve un gran potencial para que la fabricación futura integre resonadores y semiconductores FGF en un solo componente. dadas sus similitudes en diseño y fabricación. «Es innovación y creatividad humana idear nuevos tipos de arquitecturas, que pueden revolucionar la forma en que pensamos sobre los resonadores, filtros y transistores». Artículos de su sitioArtículos relacionados en la Web
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Etiqueta: terahercios
Un poco de distancia puede marcar la diferencia. Eso es lo que dos investigadores del Nano Institute de la Universidad de Sydney concluyeron recientemente en su estudio sobre un nuevo método de «superlente», una forma de ver cosas que son más pequeñas que la longitud de onda de la luz, y hacerlo sin lentes reales. una nueva forma de superar el límite de difracción, que impide discernir cualquier característica más pequeña que la longitud de onda de la luz que se refleja en ella. Las características más pequeñas se codifican sólo en lo que se llaman ondas evanescentes, que tienen amplitudes que mueren exponencialmente y se pierden casi por completo dentro de unas pocas longitudes de onda. Anteriormente, las ondas evanescentes se detectaban colocando una sonda fotoconductora justo al lado del objeto que se está fotografiando. , lo que puede distorsionar los resultados. Se suponía que cuando la sonda está demasiado lejos del objeto (incluso una décima parte de la longitud de onda más atrás), la información de la sublongitud de onda se pierde por completo. “Nos dimos cuenta de que no está perdido. Es muy, muy oscuro”, dice el autor Boris Kuhlmey. Para recuperar esa información de alta resolución, los investigadores necesitan amplificar la señal tenue con una superlente, hecha de metamateriales especialmente diseñados. Pero en lugar de una lente física, Kuhlmey y el coautor Alessandro Tuniz utilizaron cálculos numéricos para lograr el mismo resultado. Midieron pequeñas fluctuaciones en el campo electromagnético causado por las ondas evanescentes y virtualmente las amplificaron aplicando ecuaciones que describen cómo se extinguen las ondas. Luego, pudieron reconstruir el campo original durante el posprocesamiento, logrando una resolución de un cuarto del tamaño del límite de difracción. Lo que importa, dice Kuhlmey, no es la tecnología específica que utilizaron sino la capacidad de captar información de alta resolución más lejos de la muestra de lo que se creía posible, incluso sin una superlente. Un investigador demuestra cómo una antena fotoconductora escanea la muestra, lo que Mide menos de 4 milímetros de ancho y tiene características tan pequeñas como 0,15 milímetros. La Universidad de SydneyEsto es importante porque estaban trabajando con longitudes de onda de alrededor de 1 milímetro, que está en el rango de frecuencia de los terahercios. Y aunque la superlente física se ha demostrado en otras frecuencias, no se ha logrado aquí. La región de terahercios del espectro es un área de investigación relativamente nueva, en parte porque las frecuencias son demasiado altas para usarse con electrónica y demasiado bajas para fotónica. , dice Kuhlmey. Pero tales frecuencias podrían ser importantes en la investigación biológica, debido a la fuerte absorbencia del agua en frecuencias de terahercios y para mirar a través de los revestimientos cerámicos utilizados en los chips semiconductores, entre otras cosas. “En cada parte del espectro se encuentra nueva física”, dice Kuhlmey. Tuniz y Kuhlmey señalan que su método no es el primero en superar el límite de difracción, ni representa la resolución más alta alcanzada. Otras técnicas, como las que utilizan una sonda muy cercana, ofrecen una mejor resolución. Pero esa resolución tiene un costo. Estos métodos son lentos y sólo pueden usarse para escanear áreas pequeñas. «Estamos añadiendo a la biblioteca técnicas de alta resolución disponibles que alguien podría considerar», dice Tuniz. Para lograr imágenes de terahercios de alta resolución sin superlente, Tuniz y Kuhlmey tendrían que colocar una sonda costosa a menos de un milímetro de distancia de la muestra que se está observando. Tuniz siempre tuvo miedo de raspar el instrumento contra esa muestra y dañar cualquiera de los objetos. Para empeorar las cosas, la sonda puede distorsionar el mismo campo que debe medir. Alternativamente, el uso de una lente física para amplificar las ondas evanescentes bloquea parte de la luz. Al realizar la superlente virtualmente, los investigadores eliminan esa pérdida. «Es un nicho, en cierto sentido, pero los laboratorios de todo el mundo tienen equipos como este para comprender cosas realmente complicadas», dice Tuniz. «Habrá aplicaciones realmente hermosas», añade Kuhlmey, aunque reconoce que es poco probable que revolucione la microscopía. como un todo. De hecho, el posprocesamiento central del enfoque australiano es similar a las técnicas utilizadas habitualmente en otras áreas de la microscopía, según Durdu Guney, que estudia la superlente en la Universidad Tecnológica de Michigan. Aunque la aplicación a las imágenes de terahercios es nueva, dice Guney, «conceptualmente, creo que la idea no es muy novedosa». Su investigación ha utilizado técnicas similares en frecuencias ópticas más altas, para las cuales la superlente es más avanzada. Guney también se pregunta si el enfoque será efectivo para objetos más complicados, algunas de cuyas características pueden verse abrumadas por el ruido. Después de que se publicó la investigación, Tuniz y Kuhlmey descubrieron que había sido publicada en las redes sociales, donde los comentaristas hacían alusiones en broma a un tropo en programas de televisión sobre procedimientos policiales en los que los personajes «mejoran» imágenes borrosas de CCTV para revelar un detalle clave. Utilizando conceptos reales de la física, Tuniz reconoce que el resultado final es bastante similar. «Está convirtiendo lo absurdo en realidad». Artículos de su sitioArtículos relacionados en la Web
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