Революционные фононические материалы обещают более компактные и мощные беспроводные устройства

Electronics & Sensors INSIDER

В лаборатории Мэтта Айкенфилда в национальных лабораториях Сандиа он и его команда используют множественные микроволновые частоты для характеристики нелинейного фононического микшера, построенного на кремниевой подложке. (Изображение: Брет Латтер/Сандиа)

Фононика: новый парадигма для беспроводных технологий

Новый класс синтетических материалов может возвестить следующую революцию беспроводных технологий, позволяя устройствам быть меньше, требовать меньшей силы сигнала и потреблять меньше энергии.

Ключ к этим достижениям лежит в фононике, которая похожа на фотонику. Обе используют аналогичные физические законы и предлагают новые способы продвижения технологий. В то время как фотоника использует фотоны, фононика делает то же с фононами — физическими частицами, передающими механические вибрации через материал, аналогично звуку, но на частотах, слишком высоких для слышения.

Прорыв в нелинейных фононических взаимодействиях

В статье, опубликованной в Nature Materials, исследователи Кॉलеджа оптических наук Wyant Университета Аризоны и национальных лабораторий Сандиа сообщают о преодолении важной вехи к реальным приложениям на базе фононики. Комбинируя высокоспециализированные полупроводниковые материалы и пьезоэлектрические материалы, обычно не используемые вместе, исследователи смогли генерировать гигантские нелинейные взаимодействия между фононами. Вместе с предыдущими инновациями, демонстрирующими усилители для фононов с теми же материалами, это открывает возможность создания беспроводных устройств, таких как смартфоны или другие передаватели данных, меньших, более эффективных и более мощных.

«Большинство людей, вероятно, удивятся, узнав, что в их мобильном телефоне есть что-то вроде 30 фильтров, единственная работа которых — преобразовывать радиоволны в звуковые волны и обратно», — сказал старший автор исследования Мэтт Айкенфилд, имеющий совместное назначение в Колледже оптических наук UArizona и национальных лабораториях Сандиа в Альбукерке, штат Нью-Мексико.

Часть передовых процессоров, эти пьезоэлектрические фильтры, изготавливаемые на специальных микросхемах, конвертируют между звуковыми и электрическими волнами множество раз каждый раз, когда смартфон получает или отправляет данные, сказал он. Поскольку их нельзя сделать из тех же материалов, таких как кремний, как другие критически важные чипы в передовых процессорах, физический размер вашего устройства намного больше, чем нужно, и по пути есть потери от перехода туда-обратно между радиоволнами и звуковыми волнами, которые накапливаются и деградируют производительность, сказал Айкенфилд.

«Обычно фононы ведут себя полностью линейным образом, значит, они не взаимодействуют друг с другом», — сказал он. «Это немного похоже на то, как один луч лазерного указки проходит через другой; они просто проходят сквозь друг друга».

Нелинейная фононика относится к тому, что происходит в специальных материалах, когда фононы могут и взаимодействуют друг с другом, сказал Айкенфилд. В статье исследователи продемонстрировали то, что он называет «гигантскими фононическими нелинейностями». Синтетические материалы, произведенные исследовательской командой, заставили фононы взаимодействовать друг с другом намного сильнее, чем в любом обычном материале.

«В аналогии с лазерной указкой это было бы как изменение частоты фотонов в первой лазерной указке, когда вы включаете вторую», — сказал он. «В результате вы бы видели луч от первой меняющий цвет».

С новыми фононическими материалами исследователи продемонстрировали, что один луч фононов может, в самом деле, изменить частоту другого луча. Более того, они показали, что фононы могут манипулироваться способами, которые до сих пор могли быть реализованы только с транзисторной электроникой.

Группа работала над целью создания всех компонентов, необходимых для процессоров радиочастотных сигналов, используя акустические волновые технологии вместо транзисторной электроники, на одном чипе, способном быть совместимым с стандартным производством микропроцессоров — последняя публикация доказывает, что это можно сделать. Ранее исследователям удалось создавать акустические компоненты, включая усилители и переключатели. С акустическими микшерами, описанными в последней публикации, они добавили последнюю деталь пазла.

«Теперь вы можете указать на каждый компонент в диаграмме радиочастотного переднего процессора и сказать: "Да, я могу сделать все это на одном чипе с акустическими волнами"», — сказал Айкенфилд. «Мы готовы переходить к изготовлению всего этого в акустической области».

Наличие всех компонентов, необходимых для создания радиочастотного переднего конца на одном чипе, может уменьшить устройства, такие как мобильные телефоны и другие беспроводные коммуникационные гаджеты, до 100 раз, согласно Айкенфилду.

Материальная основа: литий ниобате + индий-галлий арсенид

Команда достигла доказательства принципа, взяв кремниевую подложку с тонким слоем ниобата лития — синтетического материала, широко используемого в пьезоэлектрических устройствах и мобильных телефонах — и добавив ультратонкий слой (менее 100 атомов толщиной) полупроводника, содержащего индий-галлий арсенид.

«Когда мы комбинировали эти материалы именно так, мы смогли получить доступ к новому режиму фононической нелинейности», — сказала инженер Сандиа Лиза Хакетт, главный автор статьи. «Это означает, что у нас есть путь вперед к изобретению высокопроизводительной технологии для отправки и приема радиоволн, которая меньше, чем когда-либо было возможно».

В этой установке акустические волны, движущиеся через систему, ведут себя нелинейно, когда они проходят через материалы. Этот эффект может использоваться для изменения частот и кодирования информации. Основной элемент фотоники, нелинейные эффекты долго использовались для создания таких вещей, как невидимый лазерный свет в видимые лазерные указки, но использование нелинейных эффектов в фононике было затруднено ограничениями в технологиях и материалах. Например, хотя ниобат лития — один из самых нелинейных фононических материалов, известных, его полезность для технических приложений препятствует тот факт, что эти нелинейности очень слабы при использовании в одиночку.

Добавляя полупроводник индий-галлий арсенид, группа Айкенфилда создала среду, в которой акустические волны, движущиеся через материал, влияют на распределение электрических зарядов в пленке полупроводника индий-галлий арсенид, вызывая смешивание акустических волн специфическими способами, которые можно контролировать, открывая систему для различных приложений.

«Эффективная нелинейность, которую вы можете сгенерировать с этими материалами, в сотни или даже тысячи раз больше, чем было возможно раньше, что безумно», — сказал Айкенфилд. «Если бы вы могли сделать то же для нелинейной оптики, вы бы революционизировали область».

С физическим размером как одним из фундаментальных ограничений текущего переднего радиочастотного аппаратного обеспечения, новая технология может открыть дверь к электронным устройствам, которые даже более способны, чем их современные аналоги, согласно авторам. Коммуникационные устройства, занимающие практически нисколько места, имеющие лучшее покрытие сигналом и более долгую жизнь батареи, на горизонте.

Источник