Künstlerische Darstellung des interkalierten Mehrschicht-Graphen-Induktors (mittlere blaue Spirale), der auf kinetischer Induktivität beruht. Hintergrundbilder zeigen seine Vorgänger, die auf magnetischer Induktivität beruhen, einem weitaus schlechteren und weniger effizienten Konzept für die Mikroelektronik. (Peter Allen / UC Santa Barbara)

Die letzte Barriere für ultra-miniaturisierte Elektronik ist dank eines neuen Induktortyps gebrochen

Eines der drei grundlegenden Schaltungselemente wurde zum ersten Mal viel kleiner, was einen Durchbruch von Billionen Dollar verspricht.

Im Wettlauf um immer bessere Technologien gibt es zwei verwandte technische Fähigkeiten, die unsere Welt vorantreiben: Geschwindigkeit und Größe. Je kleiner ein Gerät ist, desto weniger Entfernung muss das elektrische Signal, das Ihr Gerät antreibt, zurücklegen. Da wir in der Lage waren, Siliziumverdünner zu schneiden, Schaltungselemente zu drucken und zunehmend miniaturisierte Transistoren zu entwickeln, gingen Gewinne bei der Rechengeschwindigkeit und -leistung sowie eine Verringerung der Gerätegröße Hand in Hand. Gleichzeitig sind diese Fortschritte sprunghaft eingetreten. Bei einem grundlegenden Schaltungselement - dem Induktor - ist das Design genau gleich geblieben. Von Fernsehgeräten über Laptops und Smartphones bis hin zu drahtlosen Ladegeräten, Radios und Transformatoren ist es eine der unverzichtbarsten elektronischen Komponenten, die es gibt.

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

Eine der frühesten Anwendungen des Faradayschen Induktionsgesetzes bestand darin, festzustellen, dass eine Drahtspule, die im Inneren ein Magnetfeld erzeugen würde, ein Material magnetisieren und eine Änderung seines internen Magnetfelds verursachen könnte. Dieses sich ändernde Feld würde dann einen Strom in der Spule auf der anderen Seite des Magneten induzieren, wodurch die Nadel (rechts) abgelenkt wird. Moderne Induktivitäten beruhen immer noch auf demselben Prinzip. (Wikimedia Commons-Benutzer Eviatar Bach)

Die klassische Funktionsweise von Induktoren ist eine der einfachsten Konstruktionen: eine einfache Drahtspule. Wenn Sie einen Strom durch eine Schleife oder eine Drahtspule leiten, wird durch die Mitte ein Magnetfeld erzeugt. Nach dem Faradayschen Induktionsgesetz induziert dieses sich ändernde Magnetfeld dann einen Strom in der nächsten Schleife, einen Strom, der dem Strom entgegengesetzt ist, den Sie erzeugen möchten. Wenn Sie eine größere Spulendichte erzeugen oder (noch besser) einen Kern aus magnetisierbarem Material in den Induktor einsetzen, können Sie die Induktivität Ihres Geräts erheblich erhöhen. Dies führt zu Induktoren, die sehr effektiv sind, aber auch physikalisch ziemlich groß sein müssen. Trotz aller Fortschritte, die wir gemacht haben, bedeutet die grundlegende Einschränkung dieses Designstils, dass die Größe eines Induktors begrenzt ist.

Trotz aller Revolutionen des 19., 20. und 21. Jahrhunderts in der Elektronik bleibt der konventionelle magnetische Induktor im Konzept praktisch unverändert gegenüber Faradays ursprünglichen Entwürfen. (Shutterstock)

Die Anwendungen sind jedoch enorm. Induktivitäten sind neben Kondensatoren und Widerständen eines der drei passiven Elemente, die die Grundlage aller Elektronik bilden. Wenn Sie einen elektrischen Strom mit der richtigen Größe und Frequenz erzeugen, bauen Sie einen Induktionsmotor. Führen Sie den Magnetkern durch die Spule hinein und heraus, und Sie erzeugen Strom aus einer mechanischen Bewegung. Senden Sie sowohl Wechsel- als auch Gleichströme in Ihren Stromkreis, und die Induktivität blockiert Wechselstrom, während Gleichstrom durchgelassen wird. Sie können Signale mit unterschiedlichen Frequenzen trennen, und wenn Sie einen Kondensator zusammen mit einer Induktivität verwenden, können Sie einen abgestimmten Schaltkreis erstellen, der bei Fernseh- und Radioempfängern von größter Bedeutung ist.

Das Foto zeigt die großen Körner eines praktischen Energiespeichermaterials, Calcium-Kupfer-Titanat (CCTO), eines der effizientesten und praktischsten Superkondensatoren der Welt. Die Dichte der CCTO-Keramik beträgt 94 Prozent der maximalen theoretischen Dichte. Kondensatoren und Widerstände wurden gründlich miniaturisiert, aber die Induktivitäten bleiben zurück. (RK Pandey / Texas State University)

Während Widerstände beispielsweise durch die Entwicklung des oberflächenmontierten Widerstands miniaturisiert wurden und Kondensatoren Superkondensatormaterialien Platz gemacht haben, die sich der theoretischen Grenze nähern, ist das grundlegende Design von Induktoren im Laufe der Jahrhunderte gleich geblieben. Obwohl sie bereits 1831 erfunden wurden, hat sich in fast 200 Jahren nichts an ihrem grundlegenden Design geändert. Sie funktionieren nach dem Prinzip der magnetischen Induktivität, wobei ein Strom, eine Drahtspule und ein Kern aus magnetisierbarem Material zusammen verwendet werden.

Theoretisch gibt es jedoch einen anderen Ansatz, den Induktoren verfolgen können. Es gibt auch ein Phänomen, das als kinetische Induktivität bekannt ist, bei dem anstelle eines sich ändernden Magnetfelds, das einen Gegenstrom wie bei der magnetischen Induktivität induziert, die Trägheit der Teilchen, die den elektrischen Strom selbst führen, wie z. B. Elektronen, einer Änderung ihrer Bewegung entgegenwirkt.

Wenn Strom gleichmäßig durch einen Leiter fließt, folgt er dem Newtonschen Gesetz eines Objekts (der einzelnen Ladungen), das in gleichmäßiger Bewegung bleibt, sofern keine äußere Kraft darauf einwirkt. Aber selbst wenn sie von einer äußeren Kraft beaufschlagt werden, widersteht ihre Trägheit dieser Änderung: dem Konzept der kinetischen Induktivität. (Wikimedia Commons Benutzer lx0 / Menner)

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 erforderlich ist, um diesen Strom zu ändern: eine zusätzliche Kraft irgendeiner Art. Jedes dieser Partikel würde eine Kraft benötigen, um auf sie einzuwirken, wodurch sie beschleunigen oder verlangsamen würden. Das gleiche Prinzip, das Newtons berühmtestes Bewegungsgesetz, F = ma, erzeugt, besagt, dass wir, wenn wir die Bewegungen dieser geladenen Teilchen ändern wollen, eine Kraft auf sie ausüben müssen. In dieser Gleichung sind es ihre Massen oder das m in der Gleichung, die dieser Bewegungsänderung widerstehen. Hier kommt die kinetische Induktivität her. Funktionell ist es nicht von der magnetischen Induktivität zu unterscheiden. Die kinetische Induktivität war 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 Wirkungsgrad und der Miniaturisierung sind Grenzen gesetzt. In der kleinsten Elektronik können diese Induktivitäten volle 50% der für elektronische Komponenten verfügbaren Gesamtfläche einnehmen. (H. Wang et al., Journal of Semiconductors, 38, 11 (2017))

Bei herkömmlichen metallischen Leitern ist die kinetische Induktivität vernachlässigbar und wurde daher noch nie zuvor bei herkömmlichen Schaltungen angewendet. Wenn es jedoch 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 ist, könnte es möglich sein, einen kinetischen Induktor zu erzeugen, der weitaus kleiner ist als jeder magnetische Induktor, den wir jemals hergestellt haben. Und wenn wir diesen Fortschritt schaffen können, können wir vielleicht den nächsten großen Schritt vorwärts in der Miniaturisierung machen.

On-Chip-Metallinduktoren haben vor zwei Jahrzehnten die Hochfrequenzelektronik revolutioniert, aber ihre Skalierbarkeit ist inhärent eingeschränkt. Mit den Durchbrüchen, die dem Ersetzen der magnetischen Induktivität durch die kinetische Induktivität innewohnen, ist es möglicherweise möglich, eine weitere, noch größere Umdrehung zu konstruieren. (Shutterstock)

Hier kommt die Arbeit des Banerjee Nanoelectronics Research Lab und seiner Mitarbeiter ins Spiel. Durch die Nutzung des Phänomens der kinetischen Induktivität konnten sie zum ersten Mal die Wirksamkeit einer grundlegend anderen Art von Induktor demonstrieren, die nicht auf Faradays Magnet basiert Induktivität. Anstatt herkömmliche Metallinduktoren zu verwenden, verwendeten sie Graphen - Kohlenstoff, der zu einer ultraharten, hochleitenden Konfiguration zusammengebunden ist, die auch eine große kinetische Induktivität aufweist -, um das Material mit der höchsten Induktivitätsdichte herzustellen, das jemals hergestellt wurde. In einem im letzten Monat in Nature Electronics veröffentlichten Artikel hat die Gruppe gezeigt, dass man durch Einfügen von Bromatomen zwischen verschiedene Graphenschichten in einem als Interkalation bekannten Prozess endlich ein Material erzeugen kann, bei dem die kinetische Induktivität die theoretische Grenze eines traditionellen Faraday überschreitet Induktor.

Das neuartige Graphen-Design für den kinetischen Induktor (rechts) hat die traditionellen Induktivitäten in Bezug auf die Induktivitätsdichte endlich übertroffen, wie das zentrale Feld (in blau bzw. rot) zeigt. (J. Kang et al., Nature Electronics 1, 46–51 (2018))

Bereits eine um 50% höhere Induktivität für seine Größe erreicht, auf eine skalierbare Weise, die es Materialwissenschaftlern ermöglichen sollte, diesen Gerätetyp noch weiter zu miniaturisieren. Wenn Sie den Interkalationsprozess effizienter gestalten können, woran das Team gerade arbeitet, sollten Sie in der Lage sein, die Induktivitätsdichte noch weiter zu erhöhen. 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 für die drahtlose Kommunikation der nächsten Generation voranzutreiben.

Mit angeschlossenen Geräten und dem Internet der Dinge, das Mitte der 2020er Jahre zu einem Unternehmen mit mehreren Billionen Dollar werden könnte, 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 als je zuvor sein. Und dank dieses großen Sprunges bei Nanomaterialien können wir endlich über die Technologie hinausgehen, die Faraday vor fast 200 Jahren in unsere Welt gebracht hat.

Starts With A Bang ist jetzt auf Forbes und dank unserer Patreon-Unterstützer auf Medium neu veröffentlicht. Ethan hat zwei Bücher verfasst, Beyond The Galaxy und Treknology: Die Wissenschaft von Star Trek von Tricorders bis Warp Drive.