Самый маленький в мире радиоприемник
Алмаз превратили в рекордно маленький радиоприемник
Harvard School of Engineering and Applied Sciences
Ученые из Гарвардского университета создали самый маленький в мире радиоприемник из дефектного алмаза. Размер его «деталей» составляет два атома. Исследователи отмечают, что устройство может работать в экстремальных условиях — например, в открытом космосе. Статья ученых опубликована в журнале Physical Review Applied, кратко об устройстве рассказывает пресс-релиз на сайте университета.
Обычно физики совершенствуют материалы, устраняя в них различного рода дефекты, однако в некоторых случаях изъяны наоборот оказываются полезными, и создаются учеными намеренно. Примером такого дефекта может служить NV-центр или азото-замещенная вакансия в алмазе. Он представляет собой нарушение строения кристаллической решетки алмаза, которое возникает при удалении атома углерода из узла решетки и связывании образовавшейся вакансии с атомом азота. NV-центр может быть использован для излучения одиночных фотонов или для улавливания очень слабого магнитного поля. Он также обладает фотолюминесцентными свойствами и может служить для преобразования информации в оптический сигнал.
Авторы новой работы использовали азото-замещенную вакансию в алмазе для того, чтобы создать миниатюрный радиоприемник. Он работает следующим образом: зеленый свет лазера служит источником энергии, который возбуждает в NV-центрах электроны, чувствительные к воздействию электромагнитных волн (в том числе и в FM диапазоне). Когда в азото-замещенные вакансии попадают радиоволны, возникает флуоресценция, и SV-центры начинают испускать фотоны красного света. Эти фотоны попадают в фотодиод, который конвертирует свет в электрический ток и подает его на динамик, затем преобразующий электричество в звук. Настраиваться на радиостанции (несущую частоту) помогает внешний электромагнит, который создает вокруг NV-центров магнитное поле.
В экспериментальном устройстве физики использовали алмаз с миллиардами азото-замещенных вакансий для получения более сильного оптического сигнала. Однако, по словам ученых, миниатюрный приемник сможет работать, даже если он будет иметь всего один NV-центр, испускающий одиночный фотон, а не поток света.
Так как основу радиоприемника составляет алмаз, он может продолжать свою работу даже в экстремальных условиях. Например, во время испытаний, физики тестировали устройство при температуре 350 градусов Цельсия. Ученые считают, что впоследствии его можно будет использовать в самых разных областях — например, на космических кораблях или в теле человека, так как алмазы биосовместимы. В будущем исследователи надеются понять, как можно использовать другие дефекты, например SiV-центры в алмазах.
Недавно исследователи создали чехол для мобильного телефона, который улавливает радиоволны, испускаемые передатчиком, и конвертирует их обратно в электрический заряд. Такое устройство позволит увеличить время работы телефона на одном заряде батареи на 30 процентов.
Кристина Уласович
Самый маленький в мире радиоприемник состоит из строительных блоков размером с два атома
Этот крошечный радиоприемник, строительные блоки которого размером с два атома, может выдерживать чрезвычайно суровые условия окружающей среды и является биосовместимым, что означает, что он может работать где угодно, от зонда на Венере до кардиостимулятора в человеческом сердце. Предоставлено: Элиза Гриннелл / Harvard SEAS. Исследователи из Гарвардской школы инженерии и прикладных наук Джона А. Полсона создали самый маленький в мире радиоприемник, построенный из сборки дефектов атомного масштаба в розовых бриллиантах.
Этот крошечный радиоприемник, строительные блоки которого размером с два атома, может противостоять чрезвычайно суровым условиям окружающей среды и биосовместим, что означает, что он может работать где угодно, от зонда на Венере до кардиостимулятора в сердце человека.
Исследование было проведено Марко Лончар, профессором электротехники Тяньцай Линь в SEAS, и его аспирантом Линбо Шао и опубликовано в Physical Review Applied .
В радиоприемнике используются крошечные дефекты в алмазах, называемые азотно-вакансионными (NV) центрами. Чтобы создать NV-центры, исследователи заменяют один атом углерода в кристалле алмаза на атом азота и удаляют соседний атом, создавая систему, которая по сути представляет собой атом азота с отверстием рядом с ним. NV-центры можно использовать для излучения одиночных фотонов или обнаружения очень слабых магнитных полей. Они обладают фотолюминесцентными свойствами, что означает, что они могут преобразовывать информацию в свет, что делает их мощными и многообещающими системами для квантовых вычислений, фононики и зондирования.
Радиостанциясостоит из пяти основных компонентов: источника питания, приемника, преобразователя для преобразования высокочастотного электромагнитного сигнала в воздухе в ток низкой частоты, динамика или наушников для преобразования тока в звук и тюнера.
Исследователи из Гарвардской школы инженерных и прикладных наук Джона А. Полсона создали самый маленький в мире радиоприемник, построенный из сборки дефектов атомного масштаба в розовых бриллиантах.Этот крошечный радиоприемник, строительные блоки которого размером с два атома, может выдерживать чрезвычайно суровые условия окружающей среды и является биосовместимым, что означает, что он может работать где угодно, от зонда на Венере до кардиостимулятора в человеческом сердце. Предоставлено: Harvard SEAS
. В устройстве Harvard электроны в алмазных NV-центрах получают питание или накачку зеленым светом, излучаемым лазером. Эти электроны чувствительны к электромагнитным полям, в том числе к волнам, используемым, например, в FM-радио. Когда NV-центр принимает радиоволны, он преобразует их и излучает звуковой сигнал в виде красного света.Обычный фотодиод преобразует этот свет в ток, который затем преобразуется в звук через простой динамик или наушники.
Электромагнит создает вокруг алмаза сильное магнитное поле, которое можно использовать для смены радиостанции, настройки частоты приема NV-центров.
Шао и Лончар использовали миллиарды NV-центров, чтобы усилить сигнал, но радио работает с одним NV-центром, излучая один фотон за раз, а не поток света.
Этот крошечный радиоприемник, строительные блоки которого размером с два атома, может выдерживать чрезвычайно суровые условия окружающей среды и является биосовместимым, что означает, что он может работать где угодно, от зонда на Венере до кардиостимулятора в человеческом сердце. Предоставлено: Элиза Гриннелл / Harvard SEAS. Радиоприемник чрезвычайно прочен благодаря присущей алмазу прочности. Команда успешно воспроизводила музыку при температуре 350 градусов по Цельсию - около 660 градусов по Фаренгейту.
«У бриллиантов есть эти уникальные свойства», - сказал Лончар.«Это радио сможет работать в космосе, в суровых условиях и даже в человеческом теле, поскольку алмазы биосовместимы».
Связанный с углеродной нанотрубкой алмаз можно использовать для обработки квантовой информации
Дополнительная информация: Алмазный радиоприемник: центры азотных вакансий как флуоресцентные преобразователи микроволновых сигналов, Physical Review Applied , журналы.aps.org/prapplied/abs… sRevApplied.6.064008 Предоставлено Гарвардская школа инженерии и прикладных наук Джона А. Полсона
Ссылка : Самый маленький в мире радиоприемник состоит из строительных блоков размером с два атома (2016, 16 декабря) получено 29 октября 2020 с https: // физ.org / news / 2016-12-world-smallest-radio-blocks-size.html
Этот документ защищен авторским правом. За исключением честных сделок с целью частного изучения или исследования, нет часть может быть воспроизведена без письменного разрешения. Контент предоставляется только в информационных целях.
.Самый маленький в мире FM-радиопередатчик - ScienceDaily
Группа инженеров Колумбийского университета во главе с профессором машиностроения Джеймсом Хоуном и профессором электротехники Кеннетом Шепардом воспользовалась особыми свойствами графена - его механической прочностью и электрической проводимостью - и создали наномеханическую систему, которая может создавать FM-сигналы, по сути, самый маленький в мире FM-радиопередатчик.
«Эта работа важна тем, что демонстрирует применение графена, которое не может быть достигнуто с использованием обычных материалов», - говорит Хоун.«И это важный первый шаг в развитии беспроводной обработки сигналов и разработке ультратонких и эффективных сотовых телефонов. Наши устройства намного меньше, чем любые другие источники радиосигналов, и их можно разместить на том же чипе, который используется для обработки данных».
Графен, одинарный атомный слой углерода, является самым прочным материалом, известным человеку, а также имеет электрические свойства, превосходящие кремний, используемый для изготовления чипов, используемых в современной электронике. Комбинация этих свойств делает графен идеальным материалом для наноэлектромеханических систем (NEMS), которые представляют собой уменьшенные версии микроэлектромеханических систем (MEMS), широко используемых для измерения вибрации и ускорения.Например, объясняет Хоун, датчики MEMS определяют, как ваш смартфон или планшет наклоняется для поворота экрана.
В этом новом исследовании команда использовала механическую «растяжимость» графена, чтобы настроить выходную частоту своего собственного генератора, создав наномеханическую версию электронного компонента, известного как генератор, управляемый напряжением (ГУН). С помощью VCO, объясняет Хоун, легко генерировать частотно-модулированный (FM) сигнал, именно такой, который используется для FM-радиовещания.Команда построила графеновую НЭМС с частотой около 100 мегагерц, которая находится прямо в середине диапазона FM-радио (от 87,7 до 108 МГц). Они использовали низкочастотные музыкальные сигналы (как чистые тона, так и песни с iPhone) для модуляции несущего сигнала 100 МГц от графена, а затем снова извлекли музыкальные сигналы с помощью обычного FM-радиоприемника.
«Это устройство, безусловно, является самой маленькой системой, которая может создавать такие FM-сигналы», - говорит Хоун.
Хотя графеновые NEMS не будут использоваться для замены обычных радиопередатчиков, они имеют много применений в беспроводной обработке сигналов.Шепард объясняет: «Из-за постоянного сокращения электрических цепей, известного как« закон Мура », современные сотовые телефоны обладают большей вычислительной мощностью, чем системы, которые раньше занимали целые комнаты. Однако некоторые типы устройств, особенно те, которые используются для создания и обработки радиосигналов -частотные сигналы намного сложнее миниатюризировать. Эти компоненты, расположенные вне кристалла, занимают много места и электроэнергии. Кроме того, большинство этих компонентов не могут быть легко настроены по частоте, требуя множества копий для покрытия диапазона частот. используется для беспроводной связи.«
Graphene NEMS может решить обе проблемы: они очень компактны и легко интегрируются с другими типами электроники, а их частота может быть настроена в широком диапазоне из-за огромной механической прочности графена.
«Нам предстоит пройти долгий путь к практическому применению в этой области, - отмечает Хоун, - но эта работа является важным первым шагом. Мы рады успешно продемонстрировать, как этот чудесный материал можно использовать для достижения практического технологического прогресса. - что-то особенно полезное для нас как инженеров.«
Группы Хона и Шепарда в настоящее время работают над улучшением характеристик графеновых генераторов, чтобы они имели более низкий уровень шума. В то же время они также пытаются продемонстрировать интеграцию графеновых НЭМС с кремниевыми интегральными схемами, что делает конструкцию генератора еще более компактной.
Для этого исследования команда работала с исследовательскими группами факультетов машиностроения, электротехники и физики школы. Эта работа поддержана Qualcomm Innovation Fellowship 2012 и U.S. Air Force, используя помещения Корнельского наномасштабного объекта и Чистую комнату Центра инженерных и физических исследований (CEPSR) Колумбийского университета.
.Самый маленький в мире радиоприемник состоит из частей размером в два атома
Одним из величайших достижений компьютерной эры была миниатюризация. За последние несколько десятилетий наша способность размещать все более и более сложные машины на все меньшем и меньшем пространстве только ускорилась.
Теперь инженеры Гарвардской школы инженерии и прикладных наук им. Джона А. Полсона построили самый маленький радиоприемник из когда-либо созданных. Они собрали его из серии дефектов в розовых алмазах, некоторые размером с два атома.
Радиоприемник состоит из пяти основных компонентов: источника питания, приемника, преобразователя, тюнера и динамика. Приемник - это часть, которая собирает проходящие мимо электромагнитные сигналы, поэтому их можно отправить на преобразователь, чтобы преобразовать их в ток.
Гарвардский приемник состоит из дефектов кристаллов алмаза, называемых «центрами вакансий азота». Чтобы сделать один, все, что вам нужно сделать, это вынуть два соседних атома углерода из структуры алмаза и заменить один атомом азота.Полученное несовершенство можно использовать для преобразования информации в свет, что делает их удобными для развития квантовых вычислений и фотоники.
Зеленый свет
В крошечном радио электроны в центрах вакансий азота питаются зеленым светом от лазера, который делает их чувствительными к электромагнитным полям, в том числе к волнам, используемым в FM-радио.
Когда он принимает радиоволны, он преобразует их и излучает звуковой сигнал в виде красного света, который затем может воспроизводиться как звук.Электромагнит, окружающий алмаз, используется для настройки частоты на другую станцию.
Во время тестирования алмазный радиоприемник оказался чрезвычайно устойчивым - он мог воспроизводить музыку при температуре до 350 ° C. «У бриллиантов есть эти уникальные свойства», - сказал Марко Лончар, руководивший исследованием.
Он надеется, что эту крошечную машину можно будет использовать для множества различных приложений. «Это радио сможет работать в космосе, в суровых условиях и даже на человеческом теле, поскольку алмазы биосовместимы», - добавил Лончар.
Полная информация об исследовании была опубликована в журнале « Physical Review Applied ».
.
Самый маленький в мире радиоприемник состоит из строительных блоков размером с два атома - ScienceDaily
Исследователи из Гарвардской школы инженерии и прикладных наук им. Джона А. Полсона создали самый маленький в мире радиоприемник, построенный из сборки атомного масштаба. дефекты розовых бриллиантов.
Этот крошечный радиоприемник, строительные блоки которого размером с два атома, может противостоять чрезвычайно суровым условиям окружающей среды и биосовместим, что означает, что он может работать где угодно, от зонда на Венере до кардиостимулятора в сердце человека.
Исследование было проведено Марко Лончар, профессором электротехники Тяньцай Линь в SEAS, и его аспирантом Линбо Шао и опубликовано в Physical Review Applied.
В радиоприемнике используются крошечные дефекты в алмазах, называемые азотно-вакансионными (NV) центрами. Чтобы создать NV-центры, исследователи заменяют один атом углерода в кристалле алмаза на атом азота и удаляют соседний атом, создавая систему, которая по сути представляет собой атом азота с отверстием рядом с ним.NV-центры можно использовать для излучения одиночных фотонов или обнаружения очень слабых магнитных полей. Они обладают фотолюминесцентными свойствами, что означает, что они могут преобразовывать информацию в свет, что делает их мощными и многообещающими системами для квантовых вычислений, фононики и зондирования.
Радиостанциясостоит из пяти основных компонентов: источника питания, приемника, преобразователя для преобразования высокочастотного электромагнитного сигнала в воздухе в ток низкой частоты, динамика или наушников для преобразования тока в звук и тюнера.
В устройстве Гарварда электроны в алмазных NV-центрах питаются или накачиваются зеленым светом, излучаемым лазером. Эти электроны чувствительны к электромагнитным полям, в том числе к волнам, используемым, например, в FM-радио. Когда NV-центр принимает радиоволны, он преобразует их и излучает звуковой сигнал в виде красного света. Обычный фотодиод преобразует этот свет в ток, который затем преобразуется в звук через простой динамик или наушники.
Электромагнит создает сильное магнитное поле вокруг алмаза, которое можно использовать для смены радиостанции, настройки частоты приема NV-центров.
Шао и Лончар использовали миллиарды NV-центров для усиления сигнала, но радио работает с одним NV-центром, излучая по одному фотону за раз, а не поток света.
Радиоприемник очень прочен благодаря прочности алмаза. Команда успешно играла музыку при температуре 350 градусов по Цельсию - около 660 градусов по Фаренгейту.
«У бриллиантов есть эти уникальные свойства», - сказал Лончар. «Это радио сможет работать в космосе, в суровых условиях и даже в человеческом теле, поскольку алмазы биосовместимы.«
Соавторы этого исследования: Миан Чжан, Мэтью Маркхэм и Эндрю М. Эдмондс. Его частично поддержал Центр интегральных квантовых материалов НТЦ.
Видео: https://www.youtube.com/watch?v=aytf0Jk8YJ4
Рассказ Источник:
Материалы предоставлены Гарвардской школой инженерии и прикладных наук . Оригинал написан Лией Берроуз. Примечание. Содержимое можно редактировать по стилю и длине.
.
