Исследователи UAB (Университет Барселоны) участвовали в разработке коммутатора, необходимого устройства в телекоммуникациях, способного работать на очень высокой частоте с более низким энергопотреблением, чем традиционные технологии. Технология находит применение в новых системах массовой коммуникации 6G и более устойчива с точки зрения энергопотребления, чем существующие устройства. Исследование было недавно опубликовано в Nature Electronics.

Незаменимым элементом управления сигналами в электронных коммуникационных устройствах является переключатель, функция которого заключается в том, чтобы пропускать электрический сигнал (состояние ВКЛ) или блокировать его (состояние ВЫКЛ). Самые быстрые элементы, которые в настоящее время используются для выполнения этой функции, основаны на кремнии (так называемые радиочастотные переключатели типа «кремний на изоляторе» MOSFET) и работают с использованием сигналов с частотами в десятки гигагерц (ГГц). Однако они энергозависимы, т. е. для поддержания состояния ВКЛ им требуется постоянный источник питания.

Для усовершенствования существующих систем связи и удовлетворения спроса на все более быструю связь, которая будет включать Интернет вещей (IoT) и популяризацию виртуальной реальности, необходимо увеличить частоту сигналов, с которыми могут работать эти элементы, и улучшить их производительность.

В результате международного сотрудничества с участием исследователей из Департамента телекоммуникаций и системной инженерии Университета Алабамы (UAB) был разработан коммутатор, который впервые способен работать на рабочей частоте, в два раза превышающей рабочую частоту современных кремниевых устройств, с диапазоном частот до 120 ГГц и без необходимости подачи постоянного напряжения.

Новый переключатель использует нелетучий материал, называемый hBN (гексагональный нитрид бора), который позволяет активировать его состояние ВКЛ или ВЫКЛ путем подачи импульса электрического напряжения вместо постоянного сигнала. Таким образом, экономия энергии, которая может быть достигнута, очень значительна.

«Наша исследовательская группа с кафедры телекоммуникаций и системной инженерии UAB принимала участие в разработке устройств и их экспериментальном исследовании в лабораторных условиях», — объясняет исследователь Хорди Верду.

«Впервые нам удалось продемонстрировать работу коммутатора на основе hBN, энергонезависимого материала, в диапазоне частот до 120 ГГц, что говорит о возможности использования этой технологии в новых системах массовой связи 6G, где потребуется очень большое количество таких элементов».

По мнению Верду, это «очень важный вклад не только с точки зрения производительности устройства, но и в сторону гораздо более устойчивой технологии с точки зрения потребления энергии».

Эти устройства работают благодаря свойству мемристорности, изменению электрического сопротивления материала при приложении напряжения. До сих пор очень быстрые переключатели были разработаны экспериментально из мемристоров (устройств с мемристорностью), созданных с помощью двумерных сетей гексагонального нитрида бора (hBN), связанных вместе для формирования поверхности.

При таком расположении частота устройства может достигать 480 ГГц, но только для 30 циклов, т. е. без практического применения. Новое предложение использует тот же материал, но расположенный в суперпозиции слоев (всего от 12 до 18 слоев), который может работать на частоте 260 ГГц и с достаточно высокой стабильностью около 2000 циклов для внедрения в электронные устройства.