ウルトラへの最後の壁

インターカレーションされた多層グラフェン インダクター (中央の青いスパイラル) のアーティストの描写... [+] 運動インダクタンスに依存します。 背景の画像は、マイクロエレクトロニクスにとって非常に劣っていて効率の低い概念である磁気インダクタンスに依存する以前の製品を示しています。

絶え間なく向上するテクノロジーを求める競争では、速度とサイズという 2 つの関連する技術的能力が世界を前進させます。 デバイスが小さくなるほど、デバイスを駆動する電気信号が伝わる距離が短くなるため、これらは関連しています。 シリコンをより薄くカットし、プリント回路素子をより小さくし、ますます小型化されたトランジスタを開発できるようになったことで、計算速度と電力の向上とデバイスサイズの縮小が連動して実現してきました。 しかし、これらの進歩は飛躍的に進んでいますが、同時に、基本的な回路要素の 1 つであるインダクタの設計はまったく変わっていません。 テレビからラップトップ、スマートフォン、ワイヤレス充電器、ラジオ、変圧器に至るまで、あらゆるものに使用されており、現存する最も不可欠な電子部品の 1 つです。

1831 年にマイケル・ファラデーが発明して以来、そのデザインは基本的に変わっていません。 先月、カウスタフ・バナジー率いるカリフォルニア大学サンタバーバラ校のチームが根本的に新しいタイプのインダクタを実証するまでは。 元のインダクタ設計の制限がなければ、小型化と速度における新たなブレークスルーが可能になり、より接続された世界への道が開かれる可能性があります。

ファラデーの誘導の法則の最も初期の応用の 1 つは、内部に磁場を生成するワイヤーのコイル... [+] が材料を磁化し、その内部磁場に変化を引き起こす可能性があることに注目することでした。 この変化する磁場により、磁石の反対側のコイルに電流が誘導され、針 (右) がたわみます。 最新のインダクタは依然としてこれと同じ原理に依存しています。

インダクタの古典的な動作方法は、可能な限り最も単純な設計の 1 つ、つまり単純なワイヤのコイルです。 ワイヤーのループまたはコイルに電流を流すと、中心を通る磁場が発生します。 しかし、ファラデーの誘導の法則によれば、変化する磁場は次のループに電流を誘導します。その電流は、作成しようとしている電流とは反対です。 コイル密度を高くするか、（さらに良いのであれば）インダクタの内側に磁化可能な材料のコアを配置すると、デバイスのインダクタンスを大幅に増やすことができます。 これにより、非常に効果的なインダクタが得られますが、物理的に非常に大きくする必要もあります。 私たちがこれまでに行ってきた進歩にも関わらず、この設計スタイルの根本的な制限は、インダクタの小型化にも限界があることを意味します。

19 世紀、20 世紀、21 世紀にエレクトロニクスにあらゆる革命がもたらされたにもかかわらず、... [+] 従来の磁気インダクタは、概念上、ファラデーのオリジナル設計から実質的に変わっていません。 画像クレジット: Shutterstock。

ただし、アプリケーションは膨大です。 インダクタは、コンデンサや抵抗と並んで、すべての電子機器の基礎となる 3 つの受動素子の 1 つです。 適切な大きさと周波数の電流を生成すれば、誘導モーターを構築できます。 磁性コアをコイルに出し入れすると、機械的な動きによって電気が発生します。 AC 電流と DC 電流の両方を回路に流すと、インダクタは AC をブロックし、DC の通過を許可します。 異なる周波数の信号を分離することができ、コンデンサをインダクタと一緒に使用すると、テレビやラジオの受信機で最も重要な同調回路を作成できます。

写真は、世界で最も効率的で実用的な「スーパーキャパシタ」の 1 つである、実用的なエネルギー貯蔵材料である [+] チタン酸カルシウム銅 (CCTO) の大きな粒子を示しています。 CCTO セラミックの密度は、理論上の最大密度の 94 パーセントです。 コンデンサや抵抗は徹底的に小型化が進んでいますが、インダクタは小型化が遅れています。