Neue phononische Materialien könnten zu kleineren, leistungsfähigeren drahtlosen Geräten führen

Was wäre, wenn Ihre Kopfhörer alles könnten, was Ihr Smartphone bereits kann, nur noch besser? Was ein wenig nach Science-Fiction klingt, ist vielleicht gar nicht so weit weg. Eine neue Klasse synthetischer Materialien könnte die nächste Revolution in der drahtlosen Technologie einläuten und es ermöglichen, dass Geräte kleiner werden, eine geringere Signalstärke benötigen und weniger Strom verbrauchen.

Der Schlüssel zu diesen Fortschritten liegt in dem, was Experten Phononik nennen, was der Photonik ähnelt. Beide nutzen ähnliche physikalische Gesetze und bieten neue Möglichkeiten, die Technologie voranzutreiben. Während sich die Photonik Photonen (oder Licht) zunutze macht, macht die Phononik dasselbe mit Phononen, bei denen es sich um physikalische Teilchen handelt, die mechanische Schwingungen durch ein Material übertragen, ähnlich wie Schall, allerdings mit viel zu hohen Frequenzen, um gehört zu werden.

In einem Artikel veröffentlicht in Natürliche MaterialienForscher des Wyant College of Optical Sciences der University of Arizona und der Sandia National Laboratories berichten, dass sie einen großen Schritt in Richtung realer Anwendungen auf Basis der Phononik gemacht haben.

Durch die Kombination hochspezialisierter Halbleitermaterialien und piezoelektrischer Materialien, die normalerweise nicht zusammen verwendet werden, konnten die Forscher riesige nichtlineare Wechselwirkungen zwischen Phononen erzeugen. Während frühere Innovationen Verstärker für Phononen aus denselben Materialien demonstrierten, eröffnet dies die Möglichkeit, drahtlose Geräte wie Smartphones oder andere Datensender kleiner, effizienter und leistungsfähiger zu machen.

„Die meisten Menschen wären wahrscheinlich überrascht, wenn sie erfahren würden, dass sich in ihrem Mobiltelefon etwa 30 Filter befinden, deren einzige Aufgabe darin besteht, Radiowellen in Schallwellen umzuwandeln und umgekehrt“, sagte der Hauptautor der Studie, Matt Eichenfield, der Inhaber eines gemeinsame Ernennung. am UArizona College of Optical Sciences und den Sandia National Laboratories in Albuquerque, New Mexico.

Als Teil sogenannter Front-End-Prozessoren werden diese piezoelektrischen Filter, die auf speziellen Mikrochips hergestellt werden, benötigt, um jedes Mal, wenn ein Smartphone Daten empfängt oder sendet, Schall und elektronische Wellen mehrfach umzuwandeln, erklärt er.

Da sie nicht aus den gleichen Materialien wie Silizium bestehen können wie die anderen entscheidenden Chips im Front-End-Prozessor, ist die physische Größe Ihres Geräts viel größer, als es sein sollte, und das ist auch der Fall Verluste durch das Hin- und Herwechseln zwischen Radiowellen und Schallwellen, die sich addieren und die Leistung verschlechtern, sagte Eichenfield.

„Normalerweise verhalten sich Phononen völlig linear, das heißt, sie interagieren nicht miteinander“, erklärte er. „Es ist ein bisschen so, als würde man einen Laserpointerstrahl durch einen anderen leiten; sie kreuzen sich einfach.“

Nichtlineare Phononik bezieht sich auf das, was in speziellen Materialien passiert, wenn Phononen miteinander interagieren können und dies auch tun, sagte Eichenfield. In diesem Artikel demonstrierten die Forscher, was er „riesige phononische Nichtlinearitäten“ nennt. Die vom Forschungsteam hergestellten synthetischen Materialien führten dazu, dass die Phononen viel stärker miteinander interagierten als in jedem herkömmlichen Material.

„In der Laserpointer-Analogie wäre das so, als würde man die Frequenz der Photonen vom ersten Laserpointer ändern, wenn man den zweiten einschaltet“, sagte er. „Als Ergebnis würde man sehen, wie der Strahl des ersten Strahls seine Farbe ändert.“

Mit neuen phononischen Materialien haben Forscher gezeigt, dass ein Phononenstrahl tatsächlich die Frequenz eines anderen Strahls verändern kann. Darüber hinaus zeigten sie, dass Phononen auf eine Weise manipuliert werden können, die bisher nur mit Transistor-basierter Elektronik möglich war.

Die Gruppe hat sich bemüht, alle für Hochfrequenz-Signalprozessoren erforderlichen Komponenten mithilfe von Akustikwellentechnologien anstelle von Transistorelektronik auf einem einzigen Chip herzustellen, und zwar auf eine Weise, die mit der Standard-Mikroprozessorfertigung kompatibel ist, und die neueste Veröffentlichung beweist dies. dass es machbar ist. Zuvor hatten Forscher erfolgreich akustische Komponenten hergestellt, darunter Verstärker, Schalter und andere. Mit den im letzten Beitrag beschriebenen Akustikmischern haben sie das letzte Puzzleteil hinzugefügt.

„Jetzt kann man auf jede Komponente in einem Schaltplan eines Hochfrequenz-Frontend-Prozessors zeigen und sagen: ‚Ja, ich kann das alles auf einem einzigen Chip mit akustischen Wellen machen‘“, sagte Eichenfield. „Wir sind bereit, all dies im akustischen Bereich voranzutreiben.“

Laut Eichenfield könnte die Größe von Geräten wie Mobiltelefonen und anderen drahtlosen Kommunikationsgeräten um bis zu den Faktor 100 reduziert werden, wenn alle für die Erstellung eines Hochfrequenz-Frontends erforderlichen Komponenten auf einem einzigen Chip vorhanden wären.

Das Team erreichte seinen Grundsatzbeweis, indem es hochspezialisierte Materialien zu mikroelektronischen Geräten kombinierte, durch die es akustische Wellen schickte. Konkret nahmen sie einen Siliziumwafer mit einer dünnen Schicht Lithiumniobat – einem synthetischen Material, das häufig in piezoelektronischen Geräten und Mobiltelefonen verwendet wird – und fügten eine ultradünne Schicht (weniger als 100 Atome dick) aus einem Halbleiter hinzu, der Indiumgalliumarsenid enthielt.

„Als wir diese Materialien richtig kombinierten, konnten wir experimentell auf ein neues Regime der phononischen Nichtlinearität zugreifen“, sagte Sandia-Ingenieurin Lisa Hackett, Hauptautorin des Artikels. „Das bedeutet, dass wir einen Weg nach vorn haben, Hochleistungstechnologie zum Senden und Empfangen von Funkwellen zu entwickeln, die kleiner als je zuvor sind.“

In dieser Konfiguration verhalten sich akustische Wellen, die sich durch das System bewegen, beim Durchgang durch die Materialien nichtlinear. Dieser Effekt kann genutzt werden, um Frequenzen zu verändern und Informationen zu kodieren. Nichtlineare Effekte sind ein wesentlicher Bestandteil der Photonik und werden seit langem genutzt, um Dinge wie unsichtbares Laserlicht in sichtbare Laserpointer umzuwandeln. Die Nutzung nichtlinearer Effekte in der Phononik wurde jedoch durch Einschränkungen bei Technologie und Materialien behindert. Obwohl beispielsweise Lithiumniobat eines der nichtlinearsten bekannten phononischen Materialien ist, wird seine Nützlichkeit für technische Anwendungen durch die Tatsache beeinträchtigt, dass diese Nichtlinearitäten bei alleiniger Verwendung sehr schwach sind.

Durch die Zugabe des Indium-Gallium-Arsenid-Halbleiters schuf Eichenfields Gruppe eine Umgebung, in der akustische Wellen, die durch das Material dringen, die Verteilung elektrischer Ladungen im Arsenid-Halbleiterfilm aus Indium und Gallium beeinflussen und dazu führen, dass sich die Schallwellen auf eine bestimmte Art und Weise vermischen kontrolliert. , wodurch das System für verschiedene Anwendungen geöffnet wird.

„Die effektive Nichtlinearität, die man mit diesen Materialien erzeugen kann, ist Hunderte, wenn nicht Tausende Male größer als zuvor, was verrückt ist“, sagte Eichenfield. „Wenn man dasselbe für die nichtlineare Optik tun könnte, würde man das Gebiet revolutionieren.“

Da die physische Größe eine der grundlegenden Einschränkungen der heutigen hochmodernen Hochfrequenz-Verarbeitungshardware darstellt, könnte die neue Technologie den Autoren zufolge die Tür zu elektronischen Geräten öffnen, die noch leistungsfähiger sind als ihre aktuellen Gegenstücke. Kommunikationsgeräte, die praktisch keinen Platz beanspruchen, eine bessere Signalabdeckung und eine längere Akkulaufzeit bieten, sind in Sicht.