Skjematisk skisse over hvordan SPP-bølger (surface plasmon polariton) vil bli dannet på overflaten til knøttsmå antenner lagt av grafén. (Bilde: Ian Akyildiz og Josep Jornet)

Grafén kan åpne for nettverk av nanomaskiner

Forskere håper på langt raskere trådløs kommunikasjon.

Ifølge Georgia Institute of Technology, også kjent som Georgia Tech, er det en virkelig stor utfordring knyttet til nanomaskiner – virkelig små datamaskiner egnet for å utføre enkle oppgaver, for eksempel å overvåke og utveksle sensordata – nemlig antennen.

Dersom også antennen lages i nanometerstørrelse og i kobber, vil radiosignalene måtte ha en frekvens på hundrevis av terahertz. Med så høye frekvenser har signalene bare noen få mikrometer. I tillegg kreves det mye effekt, noe nanomaskiner sjelden vil kunne levere, siden noe av målet er at de skal kunne kjøre på energi hentet fra omgivelsene.

Alternativet er større antenner, men da vil antennene være langt større enn datamaskinene, og dermed forsvinner mye av vitsen.

Grafén

Men nå kan forskere ved Georgia Tech ha funnet en løsning basert på «vidundermaterialet» grafén, som har en rekke svært interessante egenskaper. Grafén består av et lag med karbonatomer som danner et bikake-lignende gitter. Dette kan danne en elektrisk overflatebølge som gjør det mulig å lage antenner som bare er 1 mikrometer lange og 10 til 100 nanometer brede, og som kan gjøre den samme jobben som mye større antenner.

Til tross for størrelsen mener forskerne at den vil kunne operere i den nedre enden av terahertz-området, mellom 0,1 og 10 terahertz.

Dette oppnås ved hjelp av det som kalles for en SPP-bølge (Surface Plasmon Polariton).

Professor Ian Akyildiz og den modellerte grafénantennen.
Professor Ian Akyildiz og den modellerte grafénantennen. Bilde: Rob Felt/Georgia Tech

– Når elektroner i grafénet blir eksitert av for eksempel en innkommende, elektromagnetisk bølge, begynner å de å bevege seg fram og tilbake. På grunn av de unike egenskapene til grafén, resulterer denne globale oscilleringen av elektrisk ladning i en avgrenset bølge på toppen av grafénlaget, forteller Ian Akyildiz, professor i telekommunikasjon ved Georgia Techs School of Electrical and Computer Engineering, i en pressemelding.

Forplantning av SPP-bølger er ikke noe unikt ved grafén. Det kan også støttes av en del edle metaller, slik som gull og sølv, men ifølge Georgia Tech skjer dette ved langt høyere frekvenser enn det som man mener er tilfellet med grafén. For det er nemlig ikke slik at forskerne har demonstrert dette ennå. Antagelsen er basert på modellering og simulering.

Forskerne er likevel svært optimistiske når det gjelder mulighetene disse egenskapene kan bidra til. I pressemeldingen opplyses det at effektbehovet kan reduseres med fire størrelseordener i forhold til kobberbaserte antenner. Men det sies ingen ting om rekkevidden, selv om reduksjon av frekvensen med 99 prosent nok betyr ganske mye.

– Vi tror at dette bare er begynnelsen på en nytt paradigme for nettverk og kommunikasjon basert på grafén, sier Akyildiz.

Science fiction?

Dette handler ikke bare om kommunikasjon internt i et nettverk av nanodatamaskiner. Man ser nemlig også for seg at samlinger med hundre- eller tusenvis av knøttsmå transceivere, utstyrt med grafénantenner, kan gi mer tradisjonelle datamaskiner mer trådløs båndbredde.

– Terahertz-båndet kan øke dagens datarater i trådløse nettverk med mer enn to størrelsesordner. Dataratene i dagens mobilsystemer er på opptil én gigabit per sekund i LTE Advanced-nettverk og 10 gigabyte per sekund i såkalte millimeter-bølge- eller 60 gigahertz-systemer. Vi venter datarater i terabit per sekund-størrelsen i terahertz-båndet, sier Akyildiz.

Nøyaktig hvordan dette er tenkt å fungere, er ikke oppgitt, men omtales kanskje i en vitenskapelig artikkel om forskningen som er planlagt publisert i IEEE Journal of Selected Areas in Communications.

Neste mål for forskerne vil være å lage en faktisk nanoantenne i grafén og bruke den sammen med en transceiver som også er laget av grafén.

    Les også:

Til toppen