Революционные фононные материалы обещают меньшие по размеру и более мощные беспроводные устройства

Электроника и датчики INSIDER

В лаборатории Мэтта Эйченфилда в Национальных лабораториях Сандии он и его команда используют несколько микроволновых частот для определения характеристик устройства нелинейного фононного смешивания, которое они построили на кремниевой пластине. (Изображение:Брет Леттер/Сандийские национальные лаборатории)

Новый класс синтетических материалов может ознаменовать следующую революцию в беспроводных технологиях, позволяя устройствам быть меньше, требовать меньшей мощности сигнала и потреблять меньше энергии.

Ключ к этим достижениям лежит в фононике, которая похожа на фотонику. Оба используют преимущества схожих физических законов и предлагают новые способы развития технологий. В то время как фотоника использует преимущества фотонов, фононика делает то же самое с фононами, которые представляют собой физические частицы, передающие механические вибрации через материал, подобные звуку, но на частотах, слишком высоких, чтобы их можно было услышать.

В статье, опубликованной в Nature Materials Исследователи из Колледжа оптических наук Вайанта Университета Аризоны и Национальных лабораторий Сандии сообщают о прохождении важной вехи на пути к реальным приложениям, основанным на фононике. Объединив узкоспециализированные полупроводниковые материалы и пьезоэлектрические материалы, которые обычно не используются вместе, исследователи смогли создать гигантские нелинейные взаимодействия между фононами. Вместе с предыдущими инновациями, демонстрирующими усилители фононов с использованием тех же материалов, это открывает возможность сделать беспроводные устройства, такие как смартфоны или другие передатчики данных, меньшими, более эффективными и мощными.

"Большинство людей, вероятно, были бы удивлены, узнав, что в их сотовом телефоне имеется около 30 фильтров, единственная задача которых - преобразовывать радиоволны в звуковые волны и обратно", - сказал старший автор исследования Мэтт Эйхенфилд, который работает совместно с Колледжем оптических наук Университета Аризоны и Национальными лабораториями Сандии в Альбукерке, штат Нью-Мексико.

Эти пьезоэлектрические фильтры, изготовленные на специальных микрочипах и входящие в состав внешних процессоров, преобразуют звуковые и электрические волны несколько раз каждый раз, когда смартфон получает или отправляет данные, сказал он. Поскольку они не могут быть изготовлены из тех же материалов, таких как кремний, что и другие критически важные микросхемы внешнего процессора, физический размер вашего устройства намного больше, чем должен быть, и при этом возникают потери из-за переключения между радиоволнами и звуковыми волнами, которые суммируются и ухудшают производительность, сказал Эйхенфилд.

«Обычно фононы ведут себя совершенно линейно, то есть не взаимодействуют друг с другом», — сказал он. «Это немного похоже на просветление одного луча лазерной указки сквозь другой:они просто проходят друг через друга».

По словам Эйхенфилда, «нелинейная фононика» относится к тому, что происходит в специальных материалах, когда фононы могут и действительно взаимодействуют друг с другом. В статье исследователи продемонстрировали то, что он называет «гигантскими фононными нелинейностями». Синтетические материалы, созданные исследовательской группой, заставили фононы взаимодействовать друг с другом гораздо сильнее, чем в любом обычном материале.

«В аналогии с лазерной указкой это будет похоже на изменение частоты фотонов в первой лазерной указке при включении второй», — сказал он. «В результате вы увидите, как луч первого меняет цвет».

С помощью новых материалов для фононики исследователи продемонстрировали, что один луч фононов может фактически изменить частоту другого луча. Более того, они показали, что фононами можно манипулировать способами, которые до сих пор можно было реализовать только с помощью транзисторной электроники.

Группа работала над тем, чтобы сделать все компоненты, необходимые для процессоров радиочастотных сигналов, используя технологии акустических волн вместо транзисторной электроники, на одном кристалле, таким образом, чтобы это было совместимо со стандартным производством микропроцессоров — последняя публикация доказывает, что это возможно. Ранее исследователям удалось создать акустические компоненты, включая усилители и переключатели. С акустическими микшерами, описанными в последней публикации, они добавили последний кусочек головоломки.

«Теперь вы можете указать на каждый компонент схемы радиочастотного внешнего процессора и сказать:«Да, я могу сделать все это на одном чипе с помощью акустических волн», — сказал Эйхенфилд. «Мы готовы перейти к созданию всего этого в акустической сфере».

По словам Эйхенфилда, наличие всех компонентов, необходимых для создания радиочастотного интерфейса на одном чипе, может уменьшить размеры таких устройств, как сотовые телефоны и другие устройства беспроводной связи, почти в 100 раз.

Команда доказала принцип, взяв кремниевую пластину с тонким слоем ниобата лития — синтетического материала, широко используемого в пьезоэлектрических устройствах и сотовых телефонах — и добавив ультратонкий слой (толщиной менее 100 атомов) полупроводника, содержащего арсенид индия-галлия.

«Когда мы правильно объединили эти материалы, мы смогли получить доступ к новому режиму фононной нелинейности», — сказала инженер Sandia Лиза Хакетт, ведущий автор статьи. «Это означает, что у нас есть путь к созданию высокопроизводительной технологии для отправки и приема радиоволн, которая будет меньше, чем когда-либо».

В этой установке акустические волны, проходящие через систему, ведут себя нелинейно, проходя через материалы. Этот эффект можно использовать для изменения частот и кодирования информации. Нелинейные эффекты, основной элемент фотоники, уже давно используются для превращения невидимого лазерного света в видимые лазерные указатели, но использованию преимуществ нелинейных эффектов в фононике препятствуют ограничения в технологиях и материалах. Например, хотя ниобат лития является одним из наиболее нелинейных известных фононных материалов, его полезность для технических приложений сдерживается тем фактом, что эти нелинейности очень слабы, когда используется сам по себе.

Добавив полупроводник арсенид индия-галлия, группа Эйхенфилда создала среду, в которой акустические волны, проходящие через материал, влияют на распределение электрических зарядов в полупроводниковой пленке арсенида индия-галлия, заставляя акустические волны смешиваться определенным образом, которым можно управлять, открывая систему для различных приложений.

«Эффективная нелинейность, которую можно создать с помощью этих материалов, в сотни или даже тысячи раз выше, чем это было возможно раньше, и это безумие», — сказал Эйхенфилд. «Если бы вы могли сделать то же самое с нелинейной оптикой, вы произвели бы революцию в этой области».

По мнению авторов, поскольку физический размер является одним из фундаментальных ограничений современного оборудования для обработки радиочастот, новая технология может открыть дверь к электронным устройствам, которые, по мнению авторов, даже более функциональны, чем их нынешние аналоги. На горизонте появляются коммуникационные устройства, которые практически не занимают места, имеют лучшее покрытие сигнала и более длительное время автономной работы.

Источник