En grundläggande byggsten i modern teknik, induktorer finns överallt:mobiltelefoner, bärbara datorer, radioapparater, tv-apparater, bilar. Och överraskande nog, de är i huvudsak desamma idag som 1831, när de först skapades av den engelske vetenskapsmannen Michael Faraday.

Den särskilt stora storleken på induktorer gjorda enligt Faradays design är en begränsande faktor för att leverera de miniatyriserade enheter som kommer att hjälpa till att realisera potentialen hos Internet of Things, som lovar att koppla människor till cirka 50 miljarder objekt år 2020. Det höga målet förväntas ha en uppskattad ekonomisk inverkan på mellan 2,7 och 6,2 biljoner dollar årligen 2025.

Nu, ett team på UC Santa Barbara, ledd av Kaustav Banerjee, professor vid institutionen för elektro- och datateknik, har tagit ett materialbaserat tillvägagångssätt för att återuppfinna denna grundläggande komponent i modern elektronik. Fynden visas i tidskriften Naturelektronik .

Banerjee och hans UCSB-team – huvudförfattaren Jiahao Kang, Junkai Jiang, Xuejun Xie, Jae Hwan Chu och Wei Liu, alla medlemmar i hans Nanoelectronics Research Lab—arbetade med kollegor från Shibaura Institute of Technology i Japan och Shanghai Jiao Tong University i Kina för att utnyttja fenomenet kinetisk induktans för att demonstrera en fundamentalt annorlunda sorts induktor.

Alla induktorer genererar både magnetisk och kinetisk induktans, men i typiska metallledare, den kinetiska induktansen är så liten att den inte kan märkas. "Teorin om kinetisk induktans har länge varit känd inom den kondenserade materiens fysik, men ingen har någonsin använt det för induktorer, eftersom i konventionella metalliska ledare, kinetisk induktans är försumbar, " förklarade Banerjee.

Till skillnad från magnetisk induktans, kinetisk induktans beror inte på induktorns yta. Snarare, kinetisk induktans motstår strömfluktuationer som förändrar elektronernas hastighet, och elektronerna motstår sådan förändring enligt Newtons tröghetslag.

Historiskt sett, i takt med att tekniken för transistorer och sammankopplingar som länkar dem har utvecklats, elementen har blivit mindre. Men induktorn, som i sin enklaste form är en metallisk spole lindad runt ett kärnmaterial, har varit undantaget.

"On-chip induktorer baserade på magnetisk induktans kan inte göras mindre på samma sätt som transistorer eller sammankopplingar skala, eftersom du behöver en viss yta för att få ett visst magnetiskt flöde eller induktansvärde, " förklarade huvudförfattaren Kang, som nyligen avslutade sin Ph.D. under Banerjees överinseende.

UCSB-teamet designade en ny typ av spiralinduktor som består av flera lager av grafen. Enskiktsgrafen uppvisar en linjär elektronisk bandstruktur och en motsvarande lång momentumrelaxationstid (MRT) - några pikosekunder eller högre jämfört med konventionella metallledare (som koppar som används i traditionella induktorer på chip). som sträcker sig från 1/1000 till 1/100 av en pikosekund. Men enskiktsgrafen har för mycket motstånd för applicering på en induktor.

Dock, flerskiktsgrafen erbjuder en dellösning genom att ge lägre motstånd, men mellanskiktskopplingar gör att dess MRT är otillräckligt liten. Forskarna övervann det dilemmat med en unik lösning:de satte kemiskt in bromatomer mellan grafenlagren - en process som kallas interkalering - som inte bara minskade motståndet ytterligare utan också separerade grafenlagren precis tillräckligt för att i huvudsak frikoppla dem, förlängning av MRT och därigenom ökad kinetisk induktans.

Den revolutionära induktorn, som fungerar i intervallet 10-50 GHz, erbjuder en och en halv gånger induktanstätheten hos en traditionell induktor, leder till en minskning av ytan med en tredjedel samtidigt som den ger extremt hög effektivitet. Tidigare, hög induktans och reducerad storlek hade varit en svårgripbar kombination.

"Det finns gott om utrymme för att öka induktanstätheten ytterligare genom att öka effektiviteten i interkaleringsprocessen, som vi nu utforskar, " sa medförfattaren Jiang.

"Vi konstruerade i huvudsak ett nytt nanomaterial för att föra fram den tidigare 'dolda fysiken' av kinetisk induktans vid rumstemperatur och i en rad driftsfrekvenser som är inriktade på nästa generations trådlös kommunikation, " lade Banerjee till.