Revolutionaire fononische materialen beloven kleinere, krachtigere draadloze apparaten

Elektronica en sensoren INSIDER

In het laboratorium van Matt Eichenfield bij Sandia National Laboratories gebruiken hij en zijn team meerdere microgolffrequenties om een niet-lineair fononisch mengapparaat te karakteriseren dat ze op een siliciumwafel hebben gebouwd. (Afbeelding:Bret Latter/Sandia National Laboratories)

Een nieuwe klasse synthetische materialen zou de volgende revolutie van draadloze technologieën kunnen inluiden, waardoor apparaten kleiner kunnen worden, minder signaalsterkte nodig hebben en minder stroom verbruiken.

De sleutel tot deze vooruitgang ligt in de fonetiek, die vergelijkbaar is met fotonica. Beide profiteren van vergelijkbare natuurkundige wetten en bieden nieuwe manieren om technologie vooruit te helpen. Terwijl de fotonica voordeel haalt uit fotonen, doet de fononica hetzelfde met fononen, de fysieke deeltjes die mechanische trillingen door een materiaal overbrengen, vergelijkbaar met geluid, maar met frequenties die veel te hoog zijn om te horen.

In een artikel gepubliceerd in Nature Materials Onderzoekers van het Wyant College of Optical Sciences van de Universiteit van Arizona en Sandia National Laboratories melden dat ze een belangrijke mijlpaal hebben bereikt in de richting van real-world toepassingen op basis van fonetiek. Door zeer gespecialiseerde halfgeleidermaterialen te combineren met piëzo-elektrische materialen die doorgaans niet samen worden gebruikt, konden de onderzoekers gigantische niet-lineaire interacties tussen fononen genereren. Samen met eerdere innovaties die versterkers voor fononen demonstreren die dezelfde materialen gebruiken, opent dit de mogelijkheid om draadloze apparaten zoals smartphones of andere datazenders kleiner, efficiënter en krachtiger te maken.

"De meeste mensen zouden waarschijnlijk verrast zijn als ze horen dat er ongeveer 30 filters in hun mobiele telefoon zitten, wiens enige taak het is om radiogolven om te zetten in geluidsgolven en omgekeerd", zegt de senior auteur van het onderzoek, Matt Eichenfield, die een gezamenlijke aanstelling heeft aan het UArizona College of Optical Sciences en Sandia National Laboratories in Albuquerque, New Mexico.

Deze piëzo-elektrische filters, onderdeel van de front-endprocessors, zijn gemaakt op speciale microchips en converteren meerdere keren tussen geluids- en elektrische golven telkens wanneer een smartphone gegevens ontvangt of verzendt, zei hij. Omdat deze niet uit dezelfde materialen kunnen worden gemaakt, zoals silicium, als de andere cruciaal belangrijke chips in de front-endprocessor, is de fysieke grootte van je apparaat veel groter dan nodig is, en gaandeweg zijn er verliezen door het heen en weer schakelen tussen radiogolven en geluidsgolven die de prestaties optellen en verslechteren, aldus Eichenfield.

"Normaal gesproken gedragen fononen zich volledig lineair, wat betekent dat ze geen interactie met elkaar hebben", zei hij. "Het lijkt een beetje op het schijnen van de ene laserstraal door de andere; ze gaan gewoon door elkaar heen."

Niet-lineaire fononics verwijst naar wat er gebeurt in speciale materialen wanneer de fononen met elkaar kunnen en zullen interageren, zei Eichenfield. In het artikel demonstreerden de onderzoekers wat hij 'gigantische fononische niet-lineariteiten' noemt. De synthetische materialen die door het onderzoeksteam werden geproduceerd, zorgden ervoor dat de fononen veel sterker met elkaar in wisselwerking stonden dan bij welk conventioneel materiaal dan ook.

"In de analogie van de laserpointer zou dit hetzelfde zijn als het veranderen van de frequentie van de fotonen in de eerste laserpointer wanneer je de tweede inschakelt", zei hij. "Het resultaat was dat je de straal van de eerste van kleur zag veranderen."

Met de nieuwe fononische materialen hebben de onderzoekers aangetoond dat één straal fononen in feite de frequentie van een andere straal kan veranderen. Bovendien lieten ze zien dat fononen kunnen worden gemanipuleerd op manieren die tot nu toe alleen mogelijk waren met op transistors gebaseerde elektronica.

De groep heeft gewerkt aan het doel om alle componenten die nodig zijn voor radiofrequentiesignaalprocessors die gebruik maken van akoestische golftechnologieën in plaats van op transistors gebaseerde elektronica, op één enkele chip te maken, op een manier die compatibel is met de standaardproductie van microprocessors. De nieuwste publicatie bewijst dat dit mogelijk is. Eerder slaagden de onderzoekers erin akoestische componenten te maken, waaronder versterkers en schakelaars. Met de in de laatste publicatie beschreven akoestische mixers hebben ze het laatste stukje van de puzzel toegevoegd.

"Nu kun je elk onderdeel in een diagram van een radiofrequentie front-endprocessor aanwijzen en zeggen:'Ja, ik kan deze allemaal op één chip maken met akoestische golven'", zei Eichenfield. "We zijn klaar om verder te gaan met het maken van de hele boel op akoestisch gebied."

Als alle componenten die nodig zijn om een front-end voor radiofrequenties op één enkele chip te maken, kunnen apparaten zoals mobiele telefoons en andere draadloze communicatiegadgets met maar liefst een factor 100 krimpen, aldus Eichenfield.

Het team heeft zijn proof-of-principle gerealiseerd door een siliciumwafel te nemen met een dunne laag lithiumniobaat – een synthetisch materiaal dat veel wordt gebruikt in piëzo-elektrische apparaten en mobiele telefoons – en daar een ultradunne laag (minder dan 100 atomen dik) aan toe te voegen van een halfgeleider die indium-galliumarsenide bevat.

"Toen we deze materialen op de juiste manier combineerden, konden we toegang krijgen tot een nieuw regime van fononische niet-lineariteit", zegt Sandia-ingenieur Lisa Hackett, de hoofdauteur van het artikel. "Dit betekent dat we een pad voorwaarts hebben naar het uitvinden van hoogwaardige technologie voor het verzenden en ontvangen van radiogolven die kleiner is dan ooit mogelijk is geweest."

In deze opstelling gedragen akoestische golven die door het systeem bewegen zich op niet-lineaire manieren wanneer ze door de materialen reizen. Dit effect kan worden gebruikt om frequenties te veranderen en informatie te coderen. Niet-lineaire effecten, een hoofdbestanddeel van de fotonica, worden al lang gebruikt om zaken als onzichtbaar laserlicht in zichtbare laseraanwijzers te veranderen, maar het benutten van niet-lineaire effecten in de fonetiek wordt belemmerd door beperkingen in technologie en materialen. Hoewel lithiumniobaat bijvoorbeeld een van de meest niet-lineaire fononische materialen is die we kennen, wordt de bruikbaarheid ervan voor technische toepassingen belemmerd door het feit dat deze niet-lineariteiten erg zwak zijn als ze op zichzelf worden gebruikt.

Door de indium-galliumarsenide-halfgeleider toe te voegen, creëerde de groep van Eichenfield een omgeving waarin de akoestische golven die door het materiaal reizen de verdeling van elektrische ladingen in de indium-galliumarsenide-halfgeleiderfilm beïnvloeden, waardoor de akoestische golven zich op specifieke manieren mengen die kunnen worden gecontroleerd, waardoor het systeem voor verschillende toepassingen wordt opengesteld.

"De effectieve niet-lineariteit die je met deze materialen kunt genereren is honderden of zelfs duizenden keren groter dan voorheen mogelijk was, wat krankzinnig is", zei Eichenfield. "Als je hetzelfde zou kunnen doen voor niet-lineaire optica, zou je een revolutie teweegbrengen in het veld."

Omdat fysieke afmetingen een van de fundamentele beperkingen zijn van de huidige, geavanceerde hardware voor radiofrequentieverwerking, zou de nieuwe technologie de deur kunnen openen voor elektronische apparaten die zelfs nog beter in staat zijn dan hun huidige tegenhangers, aldus de auteurs. Communicatieapparatuur die vrijwel geen ruimte in beslag neemt, een betere signaaldekking en een langere levensduur van de batterij heeft, is in aantocht.

Bron