Elektromechanische Resonatoren, die bei Sub-Terahertz-Frequenzen betrieben werden.

15. April 2023, Eigenschaft

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von Ingrid Fadelli, Tech Xplore

Um die Kommunikationssysteme weiter zu verbessern und sowohl ihre Geschwindigkeit als auch Effizienz zu erhöhen, müssen Elektronikingenieure neue und hochleistungsfähige Komponenten schaffen, einschließlich elektromechanischer Resonatoren. Elektromechanische Resonatoren sind wesentliche Komponenten von Kommunikationssystemen, die verwendet werden können, um mächtige Wellen spezifischer Frequenzen zu erzeugen oder Kommunikationssignale selektiv bei bestimmten Frequenzen zu senden.

Um die Kommunikation weiter zu beschleunigen und den Weg für die nächste Generation von drahtlosen Netzwerken (6G) zu bereiten, sollten neue Resonatoren idealerweise bei sub-terahertz Frequenzen (d.h. bei Frequenzen oberhalb von 100 GHz) arbeiten. In einem kürzlich in Nature Electronics veröffentlichten Artikel stellte ein Team von Forschern unter der Leitung von Prof. Hong Tang an der Yale University neue elektromechanische Resonatoren vor, die bei diesen hohen Frequenzen arbeiten könnten.

'Unsere Forschung betont die Erhöhung der Betriebsfrequenzen elektromechanischer Resonatoren, um die 100 GHz zu überschreiten', sagte Jiacheng Xie, der leitende Autor, der die Studie durchgeführt hat, gegenüber Tech Xplore. 'Die Grundlage moderner Kommunikationssysteme beruht auf dem kontinuierlichen Fortschritt in der Resonatorentechnologie, da höhere Frequenzschwinger zu schnelleren Kommunikationsgeschwindigkeiten führen. Mit der weltweiten Einführung von 5G-Kommunikationstechnologien steigt die Nachfrage nach höherfrequenten Resonatoren zur Unterstützung aufkommender technologischer Fortschritte.'

Die von Xie und seinen Kollegen geschaffenen mikroelektromechanischen Resonatoren bestehen aus einem Millimeterwellen-Doppelrail-Resonator auf einem aufgehängten Lithiumniobat-Balken. Um diesen Balken in ihrem Gerät aufzuhängen, ätzten die Forscher das Siliziumdioxid darunter chemisch weg, was auch den Verlust von akustischen Wellen in den umgebenden Raum minimierte.

'Um die sub-terahertz-mechanischen Resonanzen effektiv anzuregen und zu messen, verwenden wir einen Millimeterwellen-Doppelrail-Resonator, der die elektromechanische Umwandlung durch verbesserte On-Chip-Impedanzanpassung an die mechanischen Modi erleichtert', erklärte Xie. 'Es kann eine intuitive Analogie zu der Art und Weise gezogen werden, wie eine Geige mächtige Klänge erzeugt, die in großen Konzertsälen für Zuhörer hörbar sind, ohne die Notwendigkeit eines Verstärkers. Obwohl die Saiten die Tonhöhe des Instruments bestimmen, fungiert der Körper der Geige als Breitband-Resonator, der den Klang projiziert, ähnlich wie ein Doppelschienen-Resonator die sub-terahertz-Resonanzen zur Detektion überträgt.'

Bemerkenswert ist, dass das Resonator-Team ihr Werkzeug mit kommerziell erhältlichen Lithiumniobat-Dünnschichten erstellt hat, die mit Technologien gemustert wurden, die weit verbreitet sind für die Herstellung von Halbleitern. Dies könnte die zukünftige groß angelegte Herstellung und Implementierung erheblich erleichtern.

Xie und seine Kollegen waren die ersten, die elektromechanische Resonatoren geschaffen haben, die bei Frequenzen jenseits von 100 GHz arbeiten. Ihre Arbeit könnte daher wichtige Auswirkungen auf die Entwicklung von 6G-Kommunikationssystemen haben.

'Dieser Durchbruch hat das Potenzial, zur Evolution zukünftiger Kommunikationssysteme beizutragen, da die Bundeskommunikationskommission (FCC) experimentelle Lizenzen für die Verwendung von Frequenzen zwischen 95 GHz und 3 THz geschaffen hat', sagte Xie. 'Darüber hinaus ist es aus einer Perspektive der Quantenwissenschaft und -technologie vorteilhaft, mechanische Quantensysteme aus millionenschweren Verdünnungsrefrigeratoren herauszubringen. Sub-THz-Resonatoren mit ultrahohen Resonanzfrequenzen sind deutlich widerstandsfähiger gegenüber thermischen Schwankungen als GHz-Resonatoren und können daher bei viel zugänglicheren Kelvin-Temperaturen den quantenmechanischen Grundzustand erreichen.'

Die jüngste Arbeit von Xie und seinen Kollegen könnte bald die Entwicklung anderer elektromechanischer Resonatoren beeinflussen, die bei sub-terahertz Frequenzen arbeiten. In der Zwischenzeit planen die Forscher, ihre Geräte weiter zu verbessern, während sie auch versuchen, andere hochleistungsfähige Komponenten für zukünftige Kommunikationssysteme zu schaffen.

'Wir werden jetzt weiterhin daran arbeiten, elektromechanische Resonatoren mit noch höheren Frequenzen zu entwickeln', fügte Tang hinzu. 'Zusätzlich werden wir uns auf die Erstellung von Anwendungen konzentrieren, die unsere vorhandenen Technologien nutzen.'

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