Induktanssikelat ovat yhä olennaisesti samanlaisia kuin millaisiksi Michael Faraday loi ne vuonna 1831. Niiden sijoittaminen mikropiireille on yhä vaikeampaa sillä korkea induktanssi ja pienentyvä koko ovat olleet saavuttamaton yhdistelmä. Nyt professori Kaustav Banerjeen johtama tutkijaryhmä Kalifornian yliopistossa Santa Barbarassa on ottanut materiaalipohjaisen lähestymistavan tämän peruskomponentin kehittämiseksi.
Banerjee ja hänen kansainvälinen ryhmänsä on hyödyntänyt kineettisen induktanssin ilmiötä, minkä avulla voidaan tuottaa pohjimmiltaan uudenlainen induktanssi.
Kaikki induktorit tuottavat sekä magneettista että kineettistä induktanssia, mutta metallijohteissa keloissa kineettinen induktanssi on niin pieni, että se ei ole havaittavissa. - Kineettisen induktanssin teoria on pitkään ollut tiedossa kondensoituneen aineen fysiikassa, mutta kukaan ei koskaan ole käyttänyt sitä induktoreihin, koska tavanomaisissa metallijohteissa kineettinen induktanssi on vähäpätöinen, Banerjee selvittää.
Toisin kuin magneettinen induktanssi, kineettinen induktanssi ei riipu induktorin pinta-alasta. Pikemminkin kineettinen induktanssi vastustaa virran vaihteluita, joka muuttaa elektronien nopeutta ja elektronit vastustavat tällaista muutosta Newtonin inertialain mukaan.
Banerjeen tiimi kehitti grafeenista uudenlaisen spiraali-induktorin. Yhden kerroksen grafeenilla on lineaarinen elektroninen kaistarakenne ja vastaavasti suuri momentin relaksaatioaika (MRT), mutta yksikerroksisen grafeenin resistanssi on kuitenkin liian suuri induktorille.
Monikerroksinen grafeeni tarjoaa osittaisen ratkaisun tuottamalla pienemmän resistanssin, mutta välikerrosten kontaktit aiheuttavat MRT:n olevan riittämättömän pieni. Tutkijat voittivat tämän ongelman erikoisella ratkaisulla. He siirsivät kemiallisesti bromiatomeja grafeenikerrosten väliin, mikä ei pelkästään vähentänyt resistanssia vaan myös erotti grafeenikerrokset riittävästi laventamaan MRT:tä ja lisäten näin kineettistä induktanssia.
Uudenlainen kela toimii 10-50 GHz:n alueella, eli e tuottaa perinteiseen nähden puolitoistakertaisen induktanssitiheyden. Tämä johtaa kolmasosan pienenemiseen alassa ja tarjoaa samalla erittäin hyvän tehokkuuden. Lisäksi kineettisellä induktanssilla ei ole kytkentävaikutusta naapuri-induktansseihin.
Tutkijoiden mukaan kelassa on vielä runsaasti mahdollisuuksia parantaa induktanssitiheyttä lisäämällä interkalatioprosessin tehokkuutta, johon he jo panostavat. - Olemme olennaisilta osiltaan kehittäneet uuden nanomateriaalin, jotta kineettisen induktanssin aikaisemmin "piilossa ollut fysiikka" voitaisiin tuoda esille huoneen lämpötilassa ja useilla toimintataajuuksilla, jotka kohdistuvat seuraavan sukupolven langattomaan viestintään, Banerjee lisää.
Veijo Hänninen
Nanobittejä 28.2.2018
