Forskare vid Sandia National Laboratories har byggt världens minsta och bästa akustiska förstärkare. Och de gjorde det med ett koncept som nästan övergavs i nästan 50 år.

Enligt en tidning publicerad 13 maj i Naturkommunikation , enheten är mer än 10 gånger effektivare än de tidigare versionerna. Designen och framtida forskningsinriktningar lovar mindre trådlös teknik.

Moderna mobiltelefoner är packade med radioapparater för att skicka och ta emot telefonsamtal, textmeddelanden och höghastighetsdata. Ju fler radioapparater i en enhet, desto mer kan den göra. Medan de flesta radiokomponenter, inklusive förstärkare, är elektroniska, de kan eventuellt göras mindre och bättre som akustiska enheter. Det betyder att de skulle använda ljudvågor istället för elektroner för att bearbeta radiosignaler.

"Akustiska våganordningar är i sig kompakta eftersom ljudets våglängder vid dessa frekvenser är så små - mindre än människohårets diameter, ", sa Sandia-forskaren Lisa Hackett. Men tills nu, att använda ljudvågor har varit omöjligt för många av dessa komponenter.

Sandias akustiska, 276 megahertz förstärkare, mäter bara 0,5 000 millimeter, visar det stora, i stort sett outnyttjad potential för att göra radioapparater mindre genom akustik. För att förstärka 2 gigahertz-frekvenser, som bär mycket av modern mobiltelefontrafik, enheten skulle vara ännu mindre, 0,00003 kvadrattum (0,02 kvadratmillimeter), ett fotavtryck som bekvämt skulle passa in i en nypa bordssalt och är mer än 10 gånger mindre än dagens toppmoderna teknik.

Teamet skapade också den första akustiska cirkulatorn, en annan avgörande radiokomponent som separerar sända och mottagna signaler. Tillsammans, de små delarna representerar en väsentligen okänd väg mot att göra all teknik som skickar och tar emot information med radiovågor mindre och mer sofistikerad, sa Sandia -forskaren Matt Eichenfield.

"Vi är de första som visar att det är praktiskt att göra de funktioner som normalt görs i den elektroniska domänen i den akustiska domänen, "Sa Eichenfield.

Återuppliva en decennier gammal design

Forskare försökte göra akustiska radiofrekvensförstärkare för decennier sedan, men de sista stora akademiska artiklarna från dessa ansträngningar publicerades på 1970-talet.

Utan modern nanotillverkningsteknik, deras enheter presterade för dåligt för att vara användbara. För att öka signalen med en faktor 100 med de gamla enheterna krävs 0,4 tum (1 centimeter) utrymme och 2, 000 volt el. De genererade också mycket värme, kräver mer än 500 milliwatt effekt.

Den nya och förbättrade förstärkaren är mer än 10 gånger så effektiv som versionerna som byggdes på 70-talet på några sätt. Den kan öka signalstyrkan med en faktor på 100 i 0,008 tum (0,2 millimeter) med endast 36 volt el och 20 milliwatt effekt.

Tidigare forskare träffade en återvändsgränd för att förbättra akustiska enheter, som inte kan förstärka eller cirkulera på egen hand, genom att använda lager av halvledarmaterial. För att deras koncept ska fungera bra, det tillsatta materialet måste vara mycket tunt och mycket hög kvalitet, men forskare hade bara tekniker för att göra det ena eller det andra.

Decennier senare, Sandia utvecklade tekniker för att göra både och för att förbättra fotovoltaiska celler genom att lägga till en serie tunna lager av halvledande material. Sandia -forskaren som ledde den ansträngningen råkade dela ett kontor med Eichenfield.

"Jag hade en ganska tung perifer exponering. Jag hörde om det hela tiden på mitt kontor, "Sa Eichenfield." Så snabbt framåt förmodligen tre år senare, Jag läste dessa tidningar av nyfikenhet om det här akusto-elektriska förstärkararbetet och läste om vad de försökte göra, och jag insåg att detta arbete som Sandia hade gjort för att utveckla dessa tekniker för att i huvudsak ta mycket, mycket tunna halvledare och att överföra dem till andra material var precis vad vi skulle behöva för att få dessa enheter att förverkliga allt vad de lovar."

Sandia tillverkade sin förstärkare med halvledarmaterial som är 83 lager av atomer tjocka—1, 000 gånger tunnare än ett människohår.

Att smälta samman ett ultratunt halvledande lager på en olikartad akustisk enhet tog en invecklad process med att odla kristaller ovanpå andra kristaller, binda dem till ytterligare andra kristaller och sedan kemiskt ta bort 99,99% av materialen för att producera en perfekt slät kontaktyta. Nanotillverkningsmetoder som denna kallas gemensamt för heterogen integration och är ett forskningsområde av växande intresse vid Sandias Microsystems Engineering, Science and Applications komplex och inom hela halvledarindustrin.

Förstärkare, Cirkulatorer och filter tillverkas normalt separat eftersom de är olika tekniker, men Sandia producerade dem alla på samma akustoelektriska chip. Ju fler tekniker som kan göras på samma chip, desto enklare och effektivare blir tillverkningen. Teamets forskning visar att de återstående radiosignalbehandlingskomponenterna kan tänkas göras som förlängningar av de enheter som redan demonstrerats.

Arbetet finansierades av Sandia's Laboratory Directed Research and Development -program och Center for Integrated Nanotechnologies, en användaranläggning som drivs gemensamt av Sandia och Los Alamos nationella laboratorier.

Så hur lång tid tills dessa små radiodelar finns i din telefon? Förmodligen inte på ett tag, sa Eichenfield. Omvandla massproducerade, kommersiella produkter som mobiltelefoner till all akusto-elektrisk teknik skulle kräva en massiv översyn av tillverkningsinfrastrukturen, han sa. Men för små produktioner av specialiserade enheter, tekniken lovar mer omedelbart.

Sandia-teamet undersöker nu om de kan anpassa sin teknik för att förbättra helt optisk signalbehandling, för. De är också intresserade av att ta reda på om tekniken kan hjälpa till att isolera och manipulera enstaka ljudkvanta, kallade fononer, vilket potentiellt skulle göra det användbart för att kontrollera och göra mätningar i vissa kvantdatorer.