Transmisor nanomecánico de FM es el más pequeño que existe

Investigadores de la Universidad de Columbia en los EE.UU. han construido el transmisor de radio más pequeño de frecuencia modulada (FM) que haya existido jamás. Basado en un sistema nanomecánico (NEMS) de grafeno, el dispositivo oscila a una frecuencia de 100 MHz. Se podría encontrar uso en una variedad de aplicaciones, incluyendo la detección de pequeñas masas y el procesamiento de señales en chips. También representa un importante primer paso hacia el desarrollo de una avanzada tecnología inalámbrica y el diseño de los teléfonos móviles ultrafinos, dijo el co-líder del equipo James Hone

«Nuestro dispositivo es mucho más pequeño que cualquier otra fuente de señal de radio que se haya hecho jamás y, sobre todo, se puede poner en el mismo chip que se utiliza para el procesamiento de datos», explica.

El grafeno es una lámina de átomos de carbono dispuestos en una retícula en forma de panal que tiene sólo un átomo de espesor. Desde su descubrimiento en el 2004, este «material extraño» no ha dejado de sorprender a los científicos con su creciente lista de propiedades electrónicas y mecánicas únicas, que incluyen alta conductividad eléctrica y resistencia excepcional. De hecho, algunos investigadores creen que el grafeno podría incluso sustituir al silicio como el material elegido por la industria electrónica en el futuro.

Ideal para hacer NEMS

El grafeno es ideal para hacer NEMS, versiones a escala reducida de los sistemas microelectromecánicos (MEMS) que se emplean habitualmente en aplicaciones de detección de vibración. El nuevo dispositivo hecho por Hone y sus colegas es una versión NEMS de un componente electrónico común conocido como un oscilador controlado por voltaje (VCO) y genera una señal de frecuencia modulada (FM) alrededor de 100 MHz. Esta frecuencia se encuentra exactamente en el centro de la banda de radio FM (87,7 a 108 MHz), y los investigadores dicen que ya han tenido éxito en utilizar señales de música de baja frecuencia para modular la señal portadora de 100 MHz de su NEMS de grafeno y recuperar las señales de nuevo utilizando un receptor ordinario de FM.

Si bien el NEMS de grafeno no podría sustituir los transmisores de radio convencionales, sin embargo, sin duda serán utilizados en muchas otras aplicaciones de procesamiento de señales inalámbricas. Aunque los circuitos eléctricos se han ido reduciendo continuamente a lo largo de las últimas décadas (como describe en la ley de Moore), todavía hay algunos tipos de dispositivos —especialmente aquellos involucrados en la creación y el procesamiento de señales de de radio-frecuencia (RF)— que son muy difíciles de miniaturizar, explica el co-líder del equipo Kenneth Shepard. Se los llama componentes externos al chip, ya que no pueden ser integrados en dispositivos miniaturizados, porque requieren una gran cantidad de espacio y energía eléctrica, y su frecuencia no se puede sintonizar fácilmente.

Los NEMS de grafeno ofrecen una solución a este problema, ya que son muy pequeños —el área activa es de sólo unas pocas micras de diámetro— y es posible que se los pueda integrar directamente en los chips CMOS convencionales. Lo más importante, es fácil de sintonizar sus frecuencias gracias a la resistencia física excepcional del grafeno.




Ajustando la tensión

Los investigadores de Columbia hicieron sus dispositivos poniendo en contacto las hojas de grafeno con los electrodos de fuente y drenaje, y suspendieron las hojas en forma libre sobre aberturas de metal. En esta configuración, el grafeno funciona como la piel de un tambor. Una compuerta con un voltaje de CC tira del grafeno hacia abajo, hacia la compuerta, y esta ajusta la tensión y, por lo tanto, la frecuencia de resonancia mecánica, explica Hone. Una señal de radio-frecuencia en la puerta produce vibraciones de la hoja. «Finalmente, se aplica una polarización de corriente a través del grafeno y cuando el grafeno vibra actúa como un transistor cuya capacidad de compuerta está en constante cambio, y esto es lo que crea una corriente de RF entre fuente y drenaje», dice.

El equipo estudió las propiedades vibratorias del dispositivo a temperatura ambiente en una cámara de vacío. «Para hacer un oscilador, primero ajustamos la ganancia de la señal justo por encima de 1 (utilizando un amplificador variable) y la fase a cero (con un variador de fase) a la frecuencia de resonancia», dice Hone. «A continuación, conectamos la salida de la compuerta. Esto crea un bucle cerrado que amplifica las vibraciones térmicas aleatorias y hace oscilar el dispositivo.»

Los investigadores dicen que ahora están ocupados viendo cómo poner sus dispositivos directamente en circuitos integrados que ya contengan los circuitos de manejo y lectura. También esperan mejorar el rendimiento de sus osciladores y reducir el ruido del dispositivo.

El oscilador se describe en la revista Nature Nanotechnology. Este artículo apareció por primera vez en nanotechweb.org.

Fuente: Technology Review. Aportado por Eduardo J. Carletti

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