Das letzte Hindernis für Ultra

Künstlerische Darstellung des interkalierten Mehrschicht-Graphen-Induktors (blaue Spirale in der Mitte), der... [+] auf kinetischer Induktivität beruht. Hintergrundbilder zeigen seine Vorgänger, die auf magnetischer Induktivität basieren, einem weitaus minderwertigen und weniger effizienten Konzept für die Mikroelektronik.

Im Wettlauf um immer bessere Technologie gibt es zwei miteinander verbundene technische Fähigkeiten, die unsere Welt vorantreiben: Geschwindigkeit und Größe. Diese hängen zusammen: Je kleiner ein Gerät ist, desto kürzer ist die Entfernung, die das elektrische Signal, das Ihr Gerät antreibt, zurücklegen muss. Da es uns gelungen ist, Silizium dünner zu schneiden, Schaltungselemente kleiner zu drucken und zunehmend miniaturisierte Transistoren zu entwickeln, gingen eine Steigerung der Rechengeschwindigkeit und -leistung und eine Verringerung der Gerätegröße Hand in Hand. Aber während diese Fortschritte sprunghaft voranschreiten, ist das Design eines grundlegenden Schaltungselements – der Induktivität – genau gleich geblieben. Es findet sich in allem, von Fernsehern über Laptops und Smartphones bis hin zu kabellosen Ladegeräten, Radios und Transformatoren, und ist eine der unverzichtbarsten elektronischen Komponenten, die es gibt.

Seit ihrer Erfindung durch Michael Faraday im Jahr 1831 ist ihr Design im Wesentlichen unverändert geblieben. Bis letzten Monat ein Team der UC Santa Barbara unter der Leitung von Kaustav Banerjee einen grundlegend neuen Induktortyp vorführte. Ohne die Einschränkungen des ursprünglichen Induktordesigns sollte es einen neuen Durchbruch in Miniaturisierung und Geschwindigkeit ermöglichen und möglicherweise den Weg für eine stärker vernetzte Welt ebnen.

Eine der frühesten Anwendungen des Faradayschen Induktionsgesetzes bestand darin, festzustellen, dass eine Drahtspule, ... [+], die im Inneren ein Magnetfeld erzeugt, ein Material magnetisieren kann, was zu einer Änderung seines inneren Magnetfelds führt. Dieses sich ändernde Feld würde dann einen Strom in der Spule auf der anderen Seite des Magneten induzieren, was dazu führen würde, dass die Nadel (rechts) abgelenkt wird. Moderne Induktoren basieren immer noch auf demselben Prinzip.

Die klassische Funktionsweise von Induktoren ist eines der einfachsten möglichen Designs: eine einfache Drahtspule. Wenn Sie einen Strom durch eine Drahtschleife oder -spule leiten, erzeugt er in der Mitte ein Magnetfeld. Aber gemäß dem Induktionsgesetz von Faraday induziert dieses sich ändernde Magnetfeld dann in der nächsten Schleife einen Strom, der dem Strom entgegenwirkt, den Sie erzeugen möchten. Wenn Sie eine größere Spulendichte erzeugen oder (noch besser) einen Kern aus magnetisierbarem Material in den Induktor einbauen, können Sie die Induktivität Ihres Geräts erheblich erhöhen. Dies führt zu Induktoren, die sehr effektiv sind, aber auch physikalisch recht groß sein müssen. Trotz aller Fortschritte, die wir gemacht haben, bedeutet die grundlegende Einschränkung dieses Designstils, dass es eine Grenze dafür gibt, wie klein ein Induktor werden kann.

Trotz aller Revolutionen, die das 19., 20. und 21. Jahrhundert in der Elektronik mit sich gebracht hat, … [+] bleibt der herkömmliche Magnetinduktor konzeptionell praktisch unverändert gegenüber Faradays ursprünglichen Entwürfen. Bildnachweis: Shutterstock.

Die Einsatzmöglichkeiten sind jedoch enorm. Induktivitäten gehören neben Kondensatoren und Widerständen zu den drei passiven Elementen, die die Grundlage jeder Elektronik bilden. Erzeugen Sie einen elektrischen Strom mit der richtigen Stärke und Frequenz und Sie bauen einen Induktionsmotor. Führen Sie den Magnetkern durch die Spule hinein und heraus, und Sie erzeugen durch eine mechanische Bewegung Strom. Senden Sie sowohl Wechsel- als auch Gleichströme durch Ihren Stromkreis, und der Induktor blockiert den Wechselstrom, während er den Gleichstrom durchlässt. Sie können Signale unterschiedlicher Frequenzen trennen, und wenn Sie einen Kondensator zusammen mit einer Induktivität verwenden, können Sie einen abgestimmten Schaltkreis erstellen, der in Fernseh- und Radioempfängern von größter Bedeutung ist.

Das Foto zeigt die großen Körner eines praktischen Energiespeichermaterials, ... [+] Calcium-Kupfer-Titanat (CCTO), das einer der effizientesten und praktischsten „Superkondensatoren“ der Welt ist. Die Dichte der CCTO-Keramik beträgt 94 Prozent der maximalen theoretischen Dichte. Kondensatoren und Widerstände wurden gründlich miniaturisiert, Induktivitäten hinken jedoch hinterher.

Doch während Widerstände beispielsweise mit der Entwicklung des oberflächenmontierbaren Widerstands miniaturisiert wurden und Kondensatoren Superkondensatormaterialien Platz gemacht haben, die sich der theoretischen Grenze nähern, ist der grundlegende Aufbau von Induktivitäten über die Jahrhunderte hinweg derselbe geblieben. Obwohl sie bereits im Jahr 1831 erfunden wurden, hat sich an ihrem grundlegenden Design in fast 200 Jahren nichts geändert. Sie funktionieren nach dem Prinzip der magnetischen Induktivität, wobei ein Strom, eine Drahtspule und ein Kern aus magnetisierbarem Material im Tandem verwendet werden.

Aber theoretisch gibt es noch einen anderen Ansatz, den Induktoren verfolgen können. Es gibt auch ein Phänomen namens kinetische Induktivität, bei dem nicht wie bei der magnetischen Induktivität ein sich änderndes Magnetfeld einen Gegenstrom induziert, sondern die Trägheit der Teilchen, die den elektrischen Strom selbst tragen – wie etwa Elektronen –, einer Änderung ihrer Bewegung entgegenwirkt.

Da der Strom gleichmäßig durch einen Leiter fließt, gehorcht er dem Newtonschen Gesetz, dass ein Objekt (die einzelnen ... [+] Ladungen) in gleichmäßiger Bewegung bleibt, sofern keine äußere Kraft auf ihn einwirkt. Aber selbst wenn eine äußere Kraft auf sie einwirkt, widersteht ihre Trägheit dieser Änderung: das Konzept hinter der kinetischen Induktivität.

Wenn Sie sich einen elektrischen Strom als eine Reihe von Ladungsträgern (wie Elektronen) vorstellen, die sich alle stetig, hintereinander und mit konstanter Geschwindigkeit bewegen, können Sie sich vorstellen, was nötig wäre, um diesen Strom zu ändern: eine zusätzliche Kraft irgendeiner Art. Auf jedes dieser Teilchen müsste eine Kraft wirken, die es beschleunigt oder abbremst. Dasselbe Prinzip, das Newtons berühmtestes Bewegungsgesetz erschafft,F= mA , sagt uns, dass wir eine Kraft auf sie ausüben müssen, wenn wir die Bewegungen dieser geladenen Teilchen ändern wollen. In dieser Gleichung sind es ihre Massen oder das m in der Gleichung, das dieser Bewegungsänderung Widerstand leistet. Daher kommt die kinetische Induktivität. Funktionell ist sie nicht von der magnetischen Induktivität zu unterscheiden, nur war die kinetische Induktivität bisher nur unter extremen Bedingungen praktisch groß: entweder in Supraleitern oder in extrem hochfrequenten Schaltkreisen.

Ein On-Chip-Metallinduktor (Mitte) basiert immer noch auf dem von Faraday inspirierten Konzept der magnetischen... [+] Induktivität. Der Effizienz und der Miniaturisierungsfähigkeit sind Grenzen gesetzt, und in der kleinsten Elektronik können diese Induktoren ganze 50 % der gesamten für elektronische Komponenten verfügbaren Oberfläche einnehmen.

Bei herkömmlichen metallischen Leitern ist die kinetische Induktivität vernachlässigbar und wurde daher noch nie zuvor in herkömmlichen Schaltkreisen eingesetzt. Aber wenn es angewendet werden könnte, wäre es ein revolutionärer Fortschritt für die Miniaturisierung, da sein Wert im Gegensatz zur magnetischen Induktivität nicht von der Oberfläche des Induktors abhängt. Wenn diese grundlegende Einschränkung beseitigt wäre, könnte es möglich sein, einen kinetischen Induktor zu entwickeln, der viel kleiner ist als jeder magnetische Induktor, den wir jemals hergestellt haben. Und wenn uns dieser Fortschritt gelingt, können wir vielleicht den nächsten großen Schritt nach vorne in der Miniaturisierung machen.

On-Chip-Metallinduktivitäten haben vor zwei Jahrzehnten die Hochfrequenzelektronik revolutioniert, aber es gibt... [+] inhärente Einschränkungen ihrer Skalierbarkeit. Mit den Durchbrüchen, die der Ersatz der magnetischen Induktivität durch kinetische Induktivität mit sich bringt, könnte es möglich sein, eine weitere, noch größere Revolution herbeizuführen. Bildnachweis: Shutterstock.

Hier kommt die Arbeit des Nanoelectronics Research Lab von Banerjee und seiner Mitarbeiter ins Spiel. Durch die Ausnutzung des Phänomens der kinetischen Induktivität konnten sie zum ersten Mal die Wirksamkeit einer grundlegend anderen Art von Induktor nachweisen, der nicht auf Faradays Magnetismus beruhte Induktivität. Anstatt herkömmliche Metallinduktoren zu verwenden, verwendeten sie Graphen – Kohlenstoff, der zu einer ultraharten, hochleitfähigen Konfiguration zusammengebunden ist und außerdem eine große kinetische Induktivität aufweist –, um das Material mit der höchsten Induktivitätsdichte herzustellen, das jemals geschaffen wurde. In einem letzten Monat in Nature Electronics veröffentlichten Artikel demonstrierte die Gruppe, dass man durch das Einfügen von Bromatomen zwischen verschiedene Graphenschichten in einem als Interkalation bezeichneten Prozess endlich ein Material erzeugen könnte, bei dem die kinetische Induktivität die theoretische Grenze eines traditionellen Faraday überschreitet Induktor.

Das neuartige Graphen-Design für den kinetischen Induktor (rechts) hat endlich traditionelle... [+] Induktoren in Bezug auf die Induktivitätsdichte übertroffen, wie das mittlere Feld (in Blau bzw. Rot) zeigt.

Für seine Größe wird bereits eine um 50 % höhere Induktivität erreicht, und zwar auf eine skalierbare Weise, die es Materialwissenschaftlern ermöglichen sollte, diesen Gerätetyp noch weiter zu miniaturisieren. Wenn es gelingt, den Interkalationsprozess effizienter zu gestalten, woran das Team derzeit arbeitet, sollte sich die Induktivitätsdichte noch weiter erhöhen lassen. Laut Banerjee

Wir haben im Wesentlichen ein neues Nanomaterial entwickelt, um die bisher „verborgene Physik“ der kinetischen Induktivität bei Raumtemperatur und in einem Bereich von Betriebsfrequenzen hervorzuheben, die für die drahtlose Kommunikation der nächsten Generation vorgesehen sind.

Angesichts der Tatsache, dass vernetzte Geräte und das Internet der Dinge bis Mitte der 2020er-Jahre zu einem Multi-Billionen-Dollar-Unternehmen werden könnten, könnte dieser neue Induktortyp genau die Art von Revolution sein, auf die die aufstrebende Industrie gehofft hat. Kommunikations-, Energiespeicher- und Sensortechnologien der nächsten Generation könnten kleiner, leichter und schneller sein als je zuvor. Und dank dieses großen Sprungs bei Nanomaterialien könnten wir endlich über die Technologie hinausgehen, die Faraday vor fast 200 Jahren in unsere Welt gebracht hat.