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

Dank eines neuen Induktortyps ist die letzte Barriere für ultra-miniaturisierte Elektronik gebrochen

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

Im Wettlauf um immer bessere Technologie gibt es zwei verwandte technische Fähigkeiten, die unsere Welt vorantreiben: Geschwindigkeit und Größe. Je kleiner ein Gerät ist, desto kürzer ist die Entfernung, die das elektrische Signal Ihres Geräts zurücklegen muss. Da wir in der Lage waren, Silizium dünner zu schneiden, Leiterplattenelemente zu verkleinern und zunehmend miniaturisierte Transistoren zu entwickeln, gingen die Steigerung der Rechengeschwindigkeit und -leistung sowie die Verringerung der Gerätegröße Hand in Hand. Gleichzeitig sind diese Fortschritte sprunghaft vorangeschritten, und ein grundlegendes Schaltungselement - der Induktor - ist in seinem Design exakt 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 durch Michael Faraday im Jahr 1831 ist ihr Design im Wesentlichen unverändert geblieben. Bis zum letzten Monat, als ein Team von UC Santa Barbara unter der Leitung von Kaustav Banerjee einen grundlegend neuen Induktortyp vorführte. Ohne die Einschränkungen des ursprünglichen Induktordesigns sollte dies einen neuen Durchbruch bei Miniaturisierung und Geschwindigkeit ermöglichen und möglicherweise den Weg für eine vernetztere Welt ebnen.

Eine der frühesten Anwendungen des Faradayschen Induktionsgesetzes war die Feststellung, dass eine Drahtspule, die im Inneren ein Magnetfeld erzeugen würde, ein Material magnetisieren und eine Änderung seines inneren 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) ausgelenkt würde. Moderne Induktivitäten beruhen immer noch auf dem gleichen Prinzip. (Wikimedia Commons-Benutzer Eviatar Bach)

Die klassische Arbeitsweise von Induktoren ist eine der einfachsten möglichen 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 entgegengesetzt ist, den Sie zu erzeugen versuchen. Wenn Sie eine größere Spulendichte erzeugen oder (noch besser) einen Kern aus magnetisierbarem Material in den Induktor einbringen, 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, die das 19., 20. und 21. Jahrhundert in der Elektronik mit sich gebracht hat, bleibt der konventionelle Magnetinduktor vom Konzept her praktisch unverändert von Faradays ursprünglichen Designs. (Shutterstock)

Die Anwendungen sind jedoch enorm. Induktivitäten sind neben Kondensatoren und Widerständen eines der drei passiven Elemente, auf denen die gesamte Elektronik basiert. Erstellen Sie einen elektrischen Strom mit der richtigen Stärke und Frequenz und bauen Sie einen Induktionsmotor. Führen Sie den Magnetkern durch die Spule und erzeugen Sie Elektrizität durch eine mechanische Bewegung. Senden Sie sowohl Wechsel- als auch Gleichstrom durch 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 herstellen, der für Fernseh- und Rundfunkempfänger von größter Bedeutung ist.

Das Foto zeigt die großen Körner eines praktischen Energiespeichermaterials, Calcium-Kupfer-Titanat (CCTO), das zu den effizientesten und praktischsten Superkondensatoren der Welt gehört. Die Dichte der CCTO-Keramik beträgt 94 Prozent des theoretischen Maximums Dichte. Kondensatoren und Widerstände wurden gründlich miniaturisiert, Induktivitäten hinken jedoch hinterher. (R.K. Pandey / Texas State University)

Während Widerstände beispielsweise mit der Entwicklung des Oberflächenmontage-Widerstands miniaturisiert wurden und Kondensatoren Superkondensatormaterialien Platz machten, die sich der theoretischen Grenze näherten, blieb das grundlegende Design von Induktivitäten über Jahrhunderte hinweg gleich. Obwohl sie bereits 1831 erfunden wurden, hat sich in fast 200 Jahren nichts an ihrer Grundkonstruktion 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 bezeichnet wird, bei dem anstelle eines sich ändernden Magnetfelds, das einen entgegengesetzten Strom wie bei der magnetischen Induktivität induziert, die Trägheit der Teilchen, die den elektrischen Strom selbst tragen, wie z. B. Elektronen, einer Änderung ihrer Bewegung entgegenwirkt.

Wenn der Strom gleichmäßig durch einen Leiter fließt, folgt er dem Newtonschen Gesetz, wonach ein Gegenstand (die einzelnen Ladungen) in gleichmäßiger Bewegung bleibt, sofern keine äußere Kraft auf ihn einwirkt. Aber selbst wenn sie von einer äußeren Kraft beaufschlagt werden, widersteht ihre Trägheit dieser Veränderung: 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 einwirken zu können und sie zu beschleunigen oder abzubremsen. Dasselbe Prinzip, das Newtons berühmtestes Bewegungsgesetz, F = ma, hervorbringt, 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. Es ist nur so, dass die kinetische Induktivität unter extremen Bedingungen immer nur praktisch groß war: entweder in Supraleitern oder in extrem hochfrequenten Schaltkreisen.

Die On-Chip-Metallinduktivität Center basiert immer noch auf dem von Faraday inspirierten Konzept der magnetischen Induktivität. Sein Wirkungsgrad und seine Miniaturisierbarkeit sind begrenzt, und 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))

In konventionellen metallischen Leitern ist die kinetische Induktivität vernachlässigbar und wurde daher noch nie in konventionellen 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 entwickeln, der viel kleiner ist als jeder magnetische Induktor, den wir jemals hergestellt haben. Und wenn wir diesen Fortschritt konstruieren können, können wir vielleicht den nächsten großen Fortschritt in der Miniaturisierung machen.

On-Chip-Induktivitäten aus Metall haben vor zwei Jahrzehnten die Hochfrequenzelektronik revolutioniert. Ihre Skalierbarkeit unterliegt jedoch gewissen Einschränkungen. Mit den Durchbrüchen, die mit dem Ersetzen der magnetischen Induktivität durch die kinetische Induktivität einhergehen, könnte es möglich sein, eine weitere, noch größere Umdrehung zu konstruieren. (Shutterstock)

Hier kommen die Arbeiten des Nanoelectronics Research Lab von Banerjee und ihrer Mitarbeiter ins Spiel. Durch die Ausnutzung des Phänomens der kinetischen Induktivität konnten sie zum ersten Mal die Wirksamkeit einer grundlegend anderen Art von Induktivität nachweisen, die sich nicht auf Faradays Magnetismus stützte Induktivität. Anstatt konventionelle Metallinduktoren zu verwenden, verwendeten sie Graphen - Kohlenstoff, der zu einer ultraharten, hochleitfähigen Konfiguration mit einer großen kinetischen Induktivität zusammengebunden ist -, um das Material mit der höchsten Induktivitätsdichte herzustellen, die jemals erzeugt wurde. In einem Artikel, der letzten Monat in Nature Electronics veröffentlicht wurde, hat die Gruppe gezeigt, dass man durch Einlagerung von Bromatomen zwischen verschiedene Graphenschichten ein Material herstellen kann, bei dem die kinetische Induktivität die theoretische Grenze eines traditionellen Faradays überschreitet Induktor.

Das neuartige Graphen-Design für den kinetischen Induktor (rechts) hat die traditionellen Induktoren in Bezug auf die Induktivitätsdichte endgültig übertroffen, wie das mittlere Feld (in Blau bzw. Rot) zeigt. (J. Kang et al., Nature Electronics 1, 46–51 (2018))

Bereits 50% größere Induktivität für seine Größe auf 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 bisherige „verborgene Physik“ der kinetischen Induktivität bei Raumtemperatur und in einem Bereich von Betriebsfrequenzen für die drahtlose Kommunikation der nächsten Generation voranzutreiben.

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

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