Tänk om dina öronsnäckor kunde göra allt som din smartphone redan kan göra, förutom bättre? Det som låter lite som science fiction kanske faktiskt inte är så långt borta. En ny klass av syntetiska material kan förebåda nästa revolution av trådlös teknik, vilket gör att enheter kan vara mindre, kräva mindre signalstyrka och använda mindre ström.
Nyckeln till dessa framsteg ligger i vad experter kallar fononik, som liknar fotonik. Båda drar fördel av liknande fysiska lagar och erbjuder nya sätt att avancera teknik. Medan fotonik drar fördel av fotoner – eller ljus – gör fononik samma sak med fononer, som är de fysiska partiklarna som överför mekaniska vibrationer genom ett material, liknande ljud, men vid frekvenser som är alldeles för höga för att höras.
I en artikel publicerad i Nature Materials , rapporterar forskare vid University of Arizona Wyant College of Optical Sciences och Sandia National Laboratories att de klarat en viktig milstolpe mot verkliga tillämpningar baserade på fononik.
Genom att kombinera högt specialiserade halvledarmaterial och piezoelektriska material som inte vanligtvis används tillsammans, kunde forskarna generera gigantiska olinjära interaktioner mellan fononer. Tillsammans med tidigare innovationer som demonstrerar förstärkare för fononer som använder samma material, öppnar detta för möjligheten att göra trådlösa enheter som smartphones eller andra datasändare mindre, effektivare och kraftfullare.
"De flesta skulle förmodligen bli förvånade över att höra att det finns något i stil med 30 filter inuti deras mobiltelefon vars enda uppgift det är att omvandla radiovågor till ljudvågor och tillbaka", säger studiens seniorförfattare, Matt Eichenfield, som har ett gemensamt möte. vid UArizona College of Optical Sciences och Sandia National Laboratories i Albuquerque, New Mexico.
En del av vad som kallas front-end-processorer, dessa piezoelektriska filter, gjorda på speciella mikrochips, är nödvändiga för att konvertera ljud och elektroniska vågor flera gånger varje gång en smartphone tar emot eller skickar data, sa han.
Eftersom dessa inte kan tillverkas av samma material, som kisel, som de andra kritiskt viktiga chipsen i front-end-processorn, är den fysiska storleken på din enhet mycket större än den behöver vara, och på vägen, det finns förluster från att gå fram och tillbaka mellan radiovågor och ljudvågor som adderar och försämrar prestandan, sa Eichenfield.
"Normalt beter sig fononer på ett helt linjärt sätt, vilket betyder att de inte interagerar med varandra", sa han. "Det är lite som att lysa en laserstråle genom en annan; de går bara igenom varandra."
Icke-linjär fononik hänvisar till vad som händer i speciella material när fononerna kan och interagerar med varandra, sa Eichenfield. I tidningen visade forskarna vad han kallar "gigantiska fononiska olinjäriteter." De syntetiska materialen som forskargruppen producerade fick fononerna att interagera med varandra mycket starkare än i något konventionellt material.
"I laserpekaranalogin skulle detta vara som att ändra frekvensen för fotonerna i den första laserpekaren när du slår på den andra," sa han. "Som ett resultat skulle du se strålen från den första ändra färg."
Med de nya fononiska materialen visade forskarna att en stråle av fononer faktiskt kan ändra frekvensen för en annan stråle. Dessutom visade de att fononer kan manipuleras på sätt som bara kunde realiseras med transistorbaserad elektronik – fram till nu.
Gruppen har arbetat mot målet att göra alla komponenter som behövs för radiofrekvenssignalprocessorer med akustisk vågteknik istället för transistorbaserad elektronik på ett enda chip, på ett sätt som är kompatibelt med standardmikroprocessortillverkning, och den senaste publikationen bevisar att det går att göra. Tidigare har forskarna lyckats göra akustiska komponenter inklusive förstärkare, switchar och andra. Med de akustiska blandarna som beskrivs i den senaste publikationen har de lagt till den sista pusselbiten.
"Nu kan du peka på varje komponent i ett diagram av en radiofrekvens front-end-processor och säga," Ja, jag kan göra alla dessa på ett chip med akustiska vågor, "sa Eichenfield. "Vi är redo att gå vidare till att göra hela grejen inom den akustiska domänen."
Att ha alla komponenter som behövs för att skapa ett radiofrekvensgränssnitt på ett enda chip kan krympa enheter som mobiltelefoner och andra trådlösa kommunikationsprylar med så mycket som en faktor 100, enligt Eichenfield.
Teamet åstadkom sitt principbevis genom att kombinera högt specialiserade material till enheter i mikroelektronikstorlek genom vilka de skickade akustiska vågor. Specifikt tog de en kiselskiva med ett tunt lager litiumniobat – ett syntetiskt material som används flitigt i piezoelektroniska enheter och mobiltelefoner – och lade till ett ultratunt lager (färre än 100 atomer tjockt) av en halvledare som innehåller indiumgalliumarsenid.
"När vi kombinerade dessa material på precis rätt sätt kunde vi experimentellt komma åt en ny regim av fononisk olinjäritet", säger Sandia-ingenjören Lisa Hackett, huvudförfattaren på tidningen. "Detta betyder att vi har en väg framåt för att uppfinna högpresterande teknik för att skicka och ta emot radiovågor som är mindre än någonsin."
I den här uppsättningen beter sig akustiska vågor som rör sig genom systemet på icke-linjära sätt när de färdas genom materialen. Denna effekt kan användas för att ändra frekvenser och koda information. Icke-linjära effekter är en stapelvara inom fotonik och har länge använts för att göra saker som osynligt laserljus till synliga laserpekare, men att dra nytta av olinjära effekter i fononik har hindrats av begränsningar i teknik och material. Till exempel, medan litiumniobat är ett av de mest olinjära fononiska materialen som är kända, hindras dess användbarhet för tekniska tillämpningar av det faktum att dessa olinjäriteter är mycket svaga när de används på egen hand.
Genom att lägga till indium-galliumarsenid-halvledaren skapade Eichenfields grupp en miljö där de akustiska vågorna som färdas genom materialet påverkar fördelningen av elektriska laddningar i indium-galliumarsenid-halvledarfilmen, vilket får de akustiska vågorna att blandas på specifika sätt som kan kontrolleras , öppnar systemet för olika applikationer.
"Den effektiva olinjäriteten du kan generera med dessa material är hundratals eller till och med tusentals gånger större än vad som var möjligt tidigare, vilket är galet," sa Eichenfield. "Om du kunde göra samma sak för olinjär optik skulle du revolutionera området."
Eftersom fysisk storlek är en av de grundläggande begränsningarna för nuvarande, toppmodern radiofrekvensbehandlingshårdvara, kan den nya tekniken öppna dörren till elektroniska enheter som är ännu mer kapabla än sina nuvarande motsvarigheter, enligt författarna. Kommunikationsenheter som praktiskt taget inte tar plats, har bättre signaltäckning och längre batteritid, är vid horisonten.
Mer information: Lisa Hackett et al, Jätteelektronförmedlad fononisk olinjäritet i halvledar-piezoelektriska heterostrukturer, Naturmaterial (2024). DOI:10.1038/s41563-024-01882-4
Journalinformation: Naturmaterial
Tillhandahålls av University of Arizona
