В статье, опубликованной сегодня в Nature Communications , исследователи из Оксфордского и Пенсильванского университетов нашли безэнергосберегающий и сверхбыстрый способ настройки частоты с помощью функциональных нанопроводов.

Представьте себе оркестр, разогревающийся перед выступлением. Гобой начинает играть идеальную ноту ля на частоте 440 Гц, в то время как все остальные инструменты подстраиваются под эту частоту. Телекоммуникационные технологии основаны на самой концепции согласования частот передатчиков и приемников. На практике это достигается, когда оба конца линии связи настраиваются на один и тот же частотный канал.

В современных колоссальных сетях связи способность надежно синтезировать как можно больше частот и быстро переключаться с одной на другую имеет первостепенное значение для бесперебойной связи.

Исследователи из Оксфордского и Пенсильванского университетов изготовили вибрирующие наноструны из халькогенидного стекла (теллурид германия), которые резонируют на заданных частотах, как гитарные струны. Чтобы настроить частоту этих резонаторов, исследователи переключают атомную структуру материала, что, в свою очередь, изменяет механическую жесткость самого материала.

Это отличается от существующих подходов, которые применяют механическое напряжение к нанострунам, подобно настройке гитары с помощью колков. Это напрямую приводит к более высокому энергопотреблению, потому что штифты не являются постоянными и требуют напряжения для удержания натяжения.

Утку Эмре Али из Оксфордского университета, завершивший исследование в рамках своей докторской работы, сказал:

«Изменяя то, как атомы связываются друг с другом в этих стеклах, мы можем изменить модуль Юнга в течение нескольких наносекунд. Модуль Юнга является мерой жесткости и напрямую влияет на частоту, с которой вибрируют наноструны».

Профессор Ритеш Агарвал из Пенсильванского университета, участвовавший в исследовании, впервые обнаружил уникальный механизм, изменивший атомную структуру новых наноматериалов еще в 2012 году.

«Мысль о том, что наша фундаментальная работа может иметь последствия в такой интересной демонстрации более чем через 10 лет, унизительна. Удивительно видеть, как эта концепция распространяется на механические свойства и насколько хорошо она работает», — сказал профессор Агарвал.

Профессор Хариш Бхаскаран, факультет материалов Оксфордского университета, который руководил работой, сказал:

«Это исследование создает новую основу, в которой используются функциональные материалы, основные механические свойства которых можно изменить с помощью электрического импульса. Это интересно, и мы надеемся, что оно вдохновит на дальнейшую разработку новых материалов, оптимизированных для таких приложений».

Кроме того, инженеры подсчитали, что их подход может работать в миллион раз эффективнее, чем коммерческие синтезаторы частоты, обеспечивая при этом от 10 до 100 раз более быструю настройку. Хотя улучшение скорости циклирования и методов считывания является необходимостью для коммерциализации, эти первоначальные результаты могут означать более высокие скорости передачи данных с более долговечными батареями в будущем.

«Модуляция наномеханических свойств в реальном времени как основа для настраиваемых NEMS» опубликована в Nature Communications.