För trådlös kommunikation, vi har alla fastnat på samma trafiktäppta motorväg – det är en del av det elektromagnetiska spektrumet som kallas radiovågor.

Framsteg har gjort motorvägen mer effektiv, men problem med bandbredden kvarstår när trådlösa enheter växer och efterfrågan på data ökar. Lösningen kan vara en närliggande, mestadels outnyttjad del av det elektromagnetiska spektrumet som kallas terahertzbandet.

"För trådlös kommunikation, terahertz-bandet är som en expressbana. Men det finns ett problem:det finns inga infartsramper, säger Josep Jornet, PhD, biträdande professor vid institutionen för elektroteknik vid universitetet vid Buffalo School of Engineering and Applied Sciences.

Jornet är huvudutredare för en treårig, $624, 497-anslag från U.S. Air Force Office of Scientific Research för att hjälpa till att utveckla ett trådlöst kommunikationsnätverk i terahertz-bandet. Medansvariga utredare är Jonathan Bird, PhD, professor i elektroteknik, och Erik Einarsson, PhD, biträdande professor i elektroteknik, båda på UB.

Deras arbete fokuserar på att utveckla extremt små radioapparater – gjorda av grafen och halvledande material – som möjliggör kort räckvidd, höghastighetskommunikation.

Tekniken kan i slutändan minska tiden det tar att slutföra komplexa uppgifter, som att migrera filerna från en dator till en annan, från timmar till sekunder. Andra potentiella applikationer inkluderar implanterbara kroppsnanosensorer som övervakar sjuka eller riskfyllda personer, och nanosensorer placerade på åldrande broar, i förorenade vattendrag och andra offentliga platser för att ge ultrahögupplöst streaming.

Detta är exempel på det så kallade Internet of Nano-Things, en pjäs på det vanligare Internet of Things, där vardagliga föremål ansluts till molnet via sensorer, mikroprocessorer och annan teknik.

"Vi kommer att kunna skapa mycket exakta, detaljerade och aktuella kartor över vad som händer inom ett givet system. Tekniken har tillämpningar inom sjukvården, lantbruk, energieffektivitet – i princip allt du vill ha mer information om, säger Jornet.

Terahertz-vågornas outnyttjade potential

Inklämd mellan radiovågor (en del av det elektromagnetiska spektrumet som inkluderar AM-radio, radar och smartphones) och ljusvågor (fjärrkontroller, fiberoptiska kablar med mera), terahertz-spektrumet används sällan i jämförelse.

Grafenbaserade radioapparater kan hjälpa till att övervinna ett problem med terahertzvågor:de behåller inte sin effekttäthet över långa avstånd. Det är en idé att Jornet började studera 2009 som doktorand vid Georgia Tech under Ian Akyildiz, PhD, Ken Byers ordförande professor i telekommunikation.

Grafen är ett tvådimensionellt ark av kol som, förutom att vara otroligt stark, tunn och lätt, har lockande elektroniska egenskaper. Till exempel, elektroner rör sig 50 till 500 gånger snabbare i grafen jämfört med kisel.

I tidigare studier, forskare visade att små antenner grafenband 10-100 nanometer breda och en mikrometer långa, kombinerat med halvledande material som indiumgalliumarsenid – kan sända och ta emot terahertzvågor med trådlösa hastigheter större än en terabit per sekund.

Men för att göra dessa radioapparater livskraftiga utanför laboratoriet, antennerna behöver andra elektroniska komponenter, som generatorer och detektorer som arbetar i samma miljö. Det är detta arbete som Jornet och hans kollegor fokuserar på.

Jornet säger att tusentals - kanske miljoner - av dessa arrayade radioapparater som arbetar tillsammans kan tillåta terahertzvågor att resa längre avstånd. Nanosenorerna kan bäddas in i fysiska föremål, som väggar och gatuskyltar, såväl som chips och andra elektroniska komponenter, att skapa ett internet av nano-saker.

"Möjligheterna är obegränsade, säger Jornet.

Jornet är medlem i Signalerna, Forskargrupp för kommunikation och nätverk vid UB:s elektroteknikavdelning, medan Bird och Einarsson arbetar i institutionens forskargrupp för Solid State Electronics.

Arbetet som beskrivs ovan är ett exempel på institutionens strategi att anställa fakultetsmedlemmar med kompletterande expertis som driver sammansmältningen av grundläggande forskningsområden samtidigt som man utvecklar ny teknik och utbildar studenter.