(Phys.org) -- Ett team av UCLA-forskare har skapat de mest kraftfulla högpresterande mikrovågsoscillatorerna i nanoskala i världen, en utveckling som kan leda till billigare, mer energieffektiva mobila kommunikationsenheter som levererar mycket bättre signalkvalitet.

Dagens mobiltelefoner, WiFi-aktiverade surfplattor och andra elektroniska prylar använder alla mikrovågsoscillatorer, små enheter som genererar de elektriska signaler som används i kommunikation. I en mobiltelefon, till exempel, sändar- och mottagarkretsarna innehåller oscillatorer som producerar radiofrekventa signaler, som sedan omvandlas av telefonens antenn till inkommande och utgående elektromagnetiska vågor.

Strömoscillatorer är kiselbaserade och använder laddningen av en elektron för att skapa mikrovågor. De UCLA-utvecklade oscillatorerna, dock, utnyttja en elektrons spinn, som i fallet med magnetism, och har flera fördelar i storleksordningar jämfört med de oscillatorer som vanligtvis används idag.

UCLA:s elektronspinbaserade oscillatorer växte fram ur forskning vid UCLA Henry Samueli School of Engineering and Applied Science sponsrad av Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA). Denna forskning fokuserade på STT-RAM, eller spin-överföring vridmoment magnetoresistivt direktminne, som har stor potential jämfört med andra typer av minne vad gäller både hastighet och effekteffektivitet.

"Vi insåg att de skiktade strukturerna i nanoskala som gör STT-RAM till en så stor kandidat för minne också kunde utvecklas för mikrovågsoscillatorer för kommunikation, " sa chefsutredaren och forskningsmedförfattaren Kang L. Wang, UCLA Engineerings Raytheon-professor i elektroteknik och chef för Western Institute of Nanoelectronics (WIN).

Strukturerna, kallade spin-transfer nano-oscillatorer, eller STNOs, består av två distinkta magnetiska lager. Ett lager har en fast magnetisk polär riktning, medan det andra lagrets magnetiska riktning kan manipuleras för att gyrate genom att leda en elektrisk ström genom det. Detta gör att strukturen kan producera mycket exakta oscillerande mikrovågor.

"Tidigare, det hade inte förekommit någon demonstration av en spin-transferoscillator med tillräckligt hög uteffekt och samtidigt god signalkvalitet, som är de två huvudmåtten för en oscillator - vilket förhindrar praktiska tillämpningar, " sa medförfattaren Pedram Khalili, projektledare för UCLA–DARPAs forskningsprogram inom STT-RAM och icke-flyktig logik. "Vi har realiserat båda dessa krav i en enda struktur."

SNTO:n testades för att visa en rekordhög uteffekt på nära 1 mikrowatt, med en rekordsmal signallinjebredd på 25 megahertz. Uteffekt hänvisar till styrkan på signalen, och 1 mikrowatt är den önskade nivån för att STNO:er ska vara praktiska för applikationer. Också, en smal signallinjebredd motsvarar en signal med högre kvalitet vid en given frekvens. Detta innebär mindre brus och störningar, för en renare röst- och videosignal. Det betyder också att fler användare kan rymmas på ett givet frekvensband.

Dessutom, det nya nanoskalasystemet är cirka 10, 000 gånger mindre än de kiselbaserade oscillatorer som används idag. Nano-oscillatorerna kan enkelt integreras i befintliga integrerade kretsar (datorchips), eftersom de är kompatibla med nuvarande design- och tillverkningsstandarder inom dator- och elektronikindustrin. Och oscillatorerna kan användas i både analog (röst) och digital (data) kommunikation, vilket innebär att smarta telefoner kan dra full nytta av dem.

"Under det senaste decenniet, vi har arbetat för att förverkliga ett nytt paradigm inom nanoelektronik och nanoarkitekturer, sa Wang, som också är medlem i California NanoSystems Institute vid UCLA. "Detta har lett till enorma framsteg inom minnesforskning. Och på samma sätt, Vi tror att dessa nya STNO:er är utmärkta kandidater för att efterträda dagens oscillatorer."

Pappret, "Högeffektkoherent mikrovågsutsläpp från Magnetic Tunnel Junction Nano-oscillatorer med vinkelrät anisotropi, " har publicerats online i tidskriften ACS Nano .

Andra nyckelförfattare inkluderar Hongwen Jiang, UCLA professor i fysik och astronomi, och huvudförfattare Zhongming Zeng, tidigare postdoktor i Jiangs laboratorium och för närvarande professor vid Suzhou Institute of Nanotech and Nanobionics, kinesiska vetenskapsakademin.