Последний барьер для ультра

Изображение художника интеркалированного многослойного графенового индуктора (центральная синяя спираль), который... [+] основан на кинетической индуктивности. На фоновых изображениях показаны его предшественники, в которых используется магнитная индуктивность — гораздо худшая и менее эффективная концепция микроэлектроники.

В гонке за постоянно совершенствующимися технологиями есть две взаимосвязанные технические возможности, которые движут наш мир вперед: скорость и размер. Это взаимосвязано: чем меньше устройство, тем меньшее расстояние должен пройти электрический сигнал, управляющий вашим устройством. Поскольку мы смогли резать кремний тоньше, печатать элементы схемы меньшего размера и разрабатывать все более миниатюрные транзисторы, рост скорости и мощности вычислений и уменьшение размеров устройств шли рука об руку. Но в то же время эти достижения развивались семимильными шагами, а конструкция одного фундаментального элемента схемы — катушки индуктивности — осталась точно такой же. Его можно найти во всем: от телевизоров и ноутбуков до смартфонов и беспроводных зарядных устройств, радиоприемников и трансформаторов. Это один из самых незаменимых электронных компонентов в мире.

С момента изобретения Майклом Фарадеем в 1831 году их конструкция практически не изменилась. То есть до прошлого месяца, когда команда Калифорнийского университета в Санта-Барбаре под руководством Каустава Банерджи продемонстрировала принципиально новый тип индуктора. Без ограничений оригинальной конструкции индуктора он должен обеспечить новый прорыв в миниатюризации и скорости, потенциально прокладывая путь к более взаимосвязанному миру.

Одним из первых применений закона индукции Фарадея было отметить, что катушка с проволокой,... [+] которая создавала внутри магнитное поле, могла намагничивать материал, вызывая изменение его внутреннего магнитного поля. Это изменяющееся поле затем индуцирует ток в катушке на другой стороне магнита, вызывая отклонение иглы (справа). Современные индукторы по-прежнему основаны на этом же принципе.

Классический способ работы индукторов — это одна из самых простых возможных конструкций: простая катушка с проводом. Когда вы пропускаете ток через петлю или катушку провода, он создает магнитное поле через центр. Но согласно закону индукции Фарадея, это изменяющееся магнитное поле затем индуцирует ток в следующем контуре, ток, противоположный тому, который вы пытаетесь создать. Если вы создадите большую плотность катушки или (что еще лучше) поместите внутрь индуктора сердечник из намагничивающегося материала, вы сможете значительно увеличить индуктивность вашего устройства. В результате создаются индукторы, которые очень эффективны, но при этом физически должны быть довольно большими. Несмотря на все наши достижения, фундаментальное ограничение этого стиля проектирования означает, что существует предел тому, насколько маленьким может быть дроссель.

Даже несмотря на все революции, произошедшие в электронике в 19, 20 и 21 веках,... [+] концепция обычного магнитного индуктора практически не изменилась по сравнению с оригинальными разработками Фарадея. Изображение предоставлено: Shutterstock.

Однако возможности применения огромны. Наряду с конденсаторами и резисторами, катушки индуктивности являются одним из трех пассивных элементов, составляющих основу всей электроники. Создайте электрический ток нужной величины и частоты, и вы построите асинхронный двигатель. Пропустите магнитный сердечник через катушку, и вы получите электричество за счет механического движения. Подайте в цепь как переменный, так и постоянный ток, и индуктор заблокирует переменный ток, пропуская постоянный ток. Они могут разделять сигналы разных частот, а при использовании вместе с дросселем конденсатора можно составить настроенную цепь, имеющую первостепенное значение в теле- и радиоприемниках.

На фотографии показаны крупные зерна практичного материала для хранения энергии,... [+] титаната кальция-меди (CCTO), который является одним из самых эффективных и практичных «суперконденсаторов» в мире. Плотность керамики CCTO составляет 94 процента от максимальной теоретической плотности. Конденсаторы и резисторы были тщательно миниатюризированы, но катушки индуктивности отстают.