Современные технологии связи сталкиваются с тем, что для улучшения сигнала спутников и сетей 5G требуются всё более массивные и энергозатратные системы. Учёные МФТИ совершили прорыв, создав детектор тоньше человеческого волоса, который не только улавливает микроволны, но и мгновенно определяет их поляризацию, преобразуя её в электрический сигнал. Про разработку рассказал Сергей Никитов, академик РАН, заведующий кафедрой электроники МФТИ.
Почему важен не просто сигнал, а его поляризация
Для увеличения пропускной способности каналов связи критически важно различать поляризацию электромагнитных волн. Проще говоря, это направление, в котором колеблется волна. Представьте, что вы машете верёвкой: можно раскачивать её вверх-вниз (вертикальная поляризация) или из стороны в сторону (горизонтальная). Аналогично, сигналы в сетях 5G или спутниковой связи можно «закодировать», используя волны с разной поляризацией, и тем самым увеличить пропускную способность.
Существующие устройства для анализа поляризации (вентили и циркуляторы) громоздки, работают медленно и в узком диапазоне частот. Новый детектор решает все эти проблемы благодаря своей уникальной наноструктуре.
Ключевым элементом детектора является тончайшая плёнка лютециевого граната. Это не природный минерал, а специально выращенный искусственный кристалл, обладающий уникальными магнитными свойствами. В данном случае он выступает идеальной «ловушкой» для микроволн.
Существующие устройства (вентили и циркуляторы) справляются с этой задачей, но они громоздки, работают медленно и в узком диапазоне частот. Новый детектор на основе спинтроники решает все эти проблемы благодаря своей наноструктуре.
Как работает наноструктура из граната и платины
Ключевыми элементами детектора является тончайшая плёнка лютециевого граната и слой платины. Это не природный минерал, а специально выращенный искусственный кристалл, обладающий уникальными магнитными свойствами. В данном случае он выступает идеальной «ловушкой» для микроволн.
При попадании микроволн в гранате возникают резонансные колебания намагниченности. Эти колебания генерируют спиновый ток, который переносится в платину. Там, благодаря обратному спиновому эффекту, происходит преобразование в электрическое напряжение. Именно величина этого напряжения точно отражает поляризацию исходного микроволнового излучения.
Настройка магнитным полем и универсальность
Главное преимущество детектора — его универсальность. Изменяя внешнее магнитное поле, можно гибко настраивать рабочую частоту. Это позволяет использовать устройство как компактный фильтр или конвертер, например, для преобразования круговой поляризации в линейную.
Мы не просто уменьшили микроволновый детектор в десятки раз, а сделали его универсальным. Его широкий частотный диапазон и совместимость с кремниевыми технологиями открывают путь к созданию крошечных модулей связи для спутников, вживляемых медицинских датчиков и матричных радаров для беспилотников,
— объяснил Сергей Никитов.
Перспективы применения
Миниатюрность, настраиваемость и низкое энергопотребление детектора открывают перспективы в нескольких областях. Это создание сверхкомпактных модулей для спутниковой связи, разработка микроскопических имплантируемых датчиков для мониторинга здоровья, производство точных матричных радаров для беспилотного транспорта и создание элементов для сетей 5G/6G и квантовой электроники.
Следующий этап исследований — изучение работы детектора со сложными типами поляризации, что расширит его функционал. Таким образом, эта наноразмерная разработка способна стать основой для следующего поколения технологий в коммуникациях, медицине и освоении космоса.
Нажмите сюда, чтобы узнать больше