Ученые создали радиоприемник на одной нанотрубке.
Столь миниатюрный приемник может использоваться не только для радио, но и во множестве других приложений, начиная от управляемых по радиоканалу устройств, путешествующих в кровяном русле человеке, до миниатюрных сотовых телефонов.
Руководителем исследования является Алекс Зеттл (Alex Zettl) из Калифорнийского университета в Беркли (University of California at Berkeley). Результаты работы будут опубликованы в журнале Nano Letters.
«Данный прорыв является отличным примером того, как уникальное поведение вещества на наноуровне открывает новые технологии, - говорит Брюс Крамер (Bruce Kramer), руководитель Центра, - основные элементы радио, с которого начинался век электроники, теперь радикально уменьшены с использованием свойств одной-единственной углеродной нанотрубки».
Новое устройство работает по принципу, больше напоминающему способ работы вакуумных ламп 1930-х годов, чем современных транзисторов. В нем углеродная нанотрубка длиной в несколько сотен нанометров прикреплена к отрицательно заряженному катоду из вольфрама. Примерно на расстоянии одного микрона (тысячи нанометров) от катода находится положительно заряженный анод из меди. Соответственно, ток протекает с катода в нанотрубку, а затем через вакуумный промежуток электроны туннелируют на анод.
«Такое туннелирование похоже на то, как бегун перепрыгивает канаву. Он сможет сделать это, только если будет иметь достаточную скорость, то есть энергию, - приводит аналогию Зеттл, - Таким образом, электроны начнут туннелировать, только когда вы приложите достаточное напряжение между электродами».
Затем под действием радиоволны нанотрубка начинает резонировать. Такие механические колебания уже являются декодированием (усилением и демодуляцией) радиосигнала. Если продолжить аналогию Зеттла, то вибрирующая нанотрубка будет похожа на канаву с постоянно изменяющейся шириной (будет меняться расстояние от конца нанотрубки до анода). Соответственно, шансы бегуна перепрыгнуть ее тоже будут изменяться. Это означает, что количество электронов, достигающих анода, тоже начнет варьироваться.
«Такая связь механических колебаний нанотрубки с изменением протекающего через нее электрического тока является основой созданного нами радиоприемника, - продолжает Зеттл, - С анода уже поступает информационный сигнал, который можно подать на усилитель и прослушать через динамик».
Результаты моделирования показывают, как меняется электрическое поле вокруг нанотрубки при приеме сигнала. Следует отметить, что поле является наибольшим на конце нанотрубки, и что оно изменяется при ее изгибе. Данный эффект и позволяет демодулировать радиосигнал.
Изображение, сделанное электронным микроскопом, показывает нанотрубку, закрепленную на электроде. Длина нанотрубки – меньше микрона, а диаметр – всего 10 нанометров. Когда радиоволны (показаны для наглядности, не являются частью снимка) воздействуют на нее, она начинает колебаться.
Настройку частоты такого приемника на нанотрубке можно проводить, просто изменив электростатическое поле между электродами. Это позволяет «натянуть» или «ослабить» нанотрубку (аналогично гитарной струне), то есть настроить на определенную частоту радио. Ученые надеются, что в будущем станет возможно создавать такие нанорадиоприемники, которые будут работать в диапазоне 40-400 МГц, где вещают обычные FM-станции.
В качестве иллюстрации работы приемника исследователи провели передачу и запись двух композиций – «Layla» (Derek and the Dominos) и «Good Vibrations» (Beach Boys).
|
youtube-канал