Группа исследователей из Кембриджского университета смогла раскрыть секрет электромагнетизма, который позволит уменьшить размеры антенн настолько, что их можно будет встраивать в микросхемы.

Ученые предположили, что электромагнитные волны являются следствием не только движения электронов с ускорением, но также явления известного как нарушение симметрии. Помимо практического применения в беспроводной связи это открытие может помочь найти точки соприкосновения между классическим электромагнетизмом и квантовой механикой.

Объяснение излучения ускорением электронов, предложенное Максвеллом в XIX веке, не имеет соответствия в квантовой механике, где электронам приписывается переход между энергетическими уровнями.

Прогресс в полупроводниковом производстве привел к тому, что антенны оказались непропорционально большими по сравнению с интегральными схемами, ограничивая дальнейшую миниатюризацию. Другая проблема с современными антеннами заключается в том, что их работа не вполне точно описывается существующими математическими моделями. Более того, на практике в качестве материала для резонаторов используются диэлектрики, в которых нет движения электронов, которое бы объясняло их работу с позиций электромагнетизма.

Исследователи изучали свойства тонких пленок из пьезоэлектрических материалов, которые являются диэлектриками и деформируются, если приложить к ним напряжение. Как оказалось, на определенной частоте эти материалы начинали работать не только как резонаторы, но и как излучатели, что позволяет использовать их в качестве антенн. Ученым удалось выяснить, что этот эффект обусловлен нарушением симметрии электрического поля, связанным с ускорением электронов. Иначе говоря, асимметрично возбуждая тонкую пленку из пьезоэлектрического материала, удается вызвать соответствующую асимметричную реакцию электрического поля, то есть генерировать электромагнитное излучение. Таким образом, электромагнитное излучение диэлектрических материалов вызвано ускорением электронов на прикрепленных к ним металлических электродах в сочетании с нарушением симметрии электрического поля.

Пьезоэлектрические тонкопленочные приборы могут быть изготовлены из ниобата лития, нитрида галлия и арсенида галлия. Более того, пьезоэлектрические тонкопленочные приборы на основе арсенида галлия уже представлены на рынке. Предполагается, что исследование, объясняющее принцип их работы, откроет новые возможности по части интеграции антенн и других компонентов, отмечается в новых результатах, опубликованных в журнале Physical Review Letters. В дополнение к последствиям для беспроводных коммуникаций, открытие может помочь определить точки, где теории классической электромагнетизма и квантовой механики соединяются.

"Это на самом деле очень простая вещь, когда вы кипятите его,"- сказал Синха. "Мы достигли прорыва Real Application, сумев понять, как эти устройства работают."

Источник: EurekAlert!