Revolutionaire fononische materialen beloven kleinere, krachtigere draadloze apparaten

Electronics & Sensors INSIDER

In Matt Eichenfield's lab bij Sandia National Laboratories, gebruiken hij en zijn team meerdere microgolf frequenties om een nonlineaire fononische mixingsapparaat te karakteriseren dat ze op een silicium wafer bouwden. (Afbeelding: Bret Latter/Sandia National Laboratories)

Fononica: de sleutel tot de volgende wireless revolutie

Een nieuwe klasse synthetische materialen kan de volgende revolutie in draadloze technologieën inluiden, wat apparaten kleiner maakt, minder signaalsterkte vereist en minder stroom verbruikt.

De sleutel tot deze vooruitgang ligt in fononica, wat vergelijkbaar is met fotonica. Beide benutten vergelijkbare fysieke wetten en bieden nieuwe manieren om technologie vooruit te helpen. Waar fotonica voordeel trekt van fotonen, doet fononica hetzelfde met fononen, wat de fysieke deeltjes zijn die mechanische trillingen door een materiaal transmitteren, gelijkaardig aan geluid, maar op frequenties veel te hoog om te horen.

Gigantische nonlineaire fonon-interacties

In een paper gepubliceerd in Nature Materials, rapporteren onderzoekers van de University of Arizona Wyant College of Optical Sciences en Sandia National Laboratories een grote mijlpaal naar realworld toepassingen gebaseerd op fononica. Door hooggespecialiseerde halfgeleidermaterialen en piezoelektrische materialen te combineren die niet typisch samen gebruikt worden, zijn de onderzoekers in staat om gigantische nonlineaire interacties tussen fononen te genereren. Samen met eerdere innovaties die versterkers voor fononen demonstreren met dezelfde materialen, opent dit de mogelijkheid om draadloze apparaten zoals smartphones of andere data transmitters kleiner, efficiënter en krachtiger te maken.

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

Deel van de front-end processors, deze piezoelektrische filters, gemaakt op speciale microchips, converteren tussen geluids- en elektrische golven meerdere keren elke keer dat een smartphone data ontvangt of verzendt, aldus hij. Omdat deze niet gemaakt kunnen worden uit dezelfde materialen, zoals silicium, als de andere cruciale chips in de front-end processor, is de fysieke grootte van je apparaat veel groter dan nodig, en onderweg zijn er verliezen van het heen en weer gaan tussen radiogolven en geluidsgolven die optellen en de prestaties degraderen, aldus Eichenfield.

"Normaal gedragen fononen zich volledig lineair, wat betekent dat ze niet met elkaar interageren," aldus hij. "Het is een beetje als één laserpointerstraal door een andere schijnen; ze gaan gewoon door elkaar heen."

Nonlineaire fononica verwijst naar wat er gebeurt in speciale materialen wanneer fononen wel met elkaar kunnen en doen interageren, aldus Eichenfield. In het paper demonstreerden de onderzoekers wat hij "gigantische fononische non-lineariteiten" noemt. De synthetische materialen geproduceerd door het onderzoeks team veroorzaakten dat fononen veel sterker met elkaar interageerden dan in enig conventioneel materiaal.

"In de laserpointer analogie, zou dit zijn als de frequentie van de fotonen in de eerste laserpointer veranderen wanneer je de tweede aanzet," aldus hij. "Als resultaat zou je de straal van de eerste zien verkleuren."

Met de nieuwe fononische materialen, demonstreerden de onderzoekers dat één bundel fononen de frequentie van een andere bundel kan veranderen. Wat meer is, ze lieten zien dat fononen gemanipuleerd kunnen worden op manieren die tot nu toe alleen gerealiseerd konden worden met transistor-gebaseerde elektronica.

De groep werkt al gericht op het doel om alle componenten die nodig zijn voor radiofrequentie signaalprocessors te maken met akoestische golftechnologieën in plaats van transistor-gebaseerde elektronica, op een enkele chip, op een manier die compatibel is met standaard microprocessor fabricage — de laatste publicatie bewijst dat het kan. Eerder slaagden de onderzoekers erin akoestische componenten te maken inclusief versterkers en schakelaars. Met de akoestische mixers beschreven in de laatste publicatie, hebben ze het laatste stuk van de puzzel toegevoegd.

"Nu kan je naar elk component in een diagram van een radiofrequentie front-end processor wijzen en zeggen, 'Ja, ik kan al deze op één chip maken met akoestische golven,'" aldus Eichenfield. "We zijn klaar om door te gaan met het maken van het hele pakket in het akoestische domein."

Het hebben van alle componenten die nodig zijn om een radiofrequentie front-end te maken op een enkele chip, kan apparaten zoals mobiele telefoons en andere draadloze communicatiegadgets verkleinen met een factor van wel 100, volgens Eichenfield.

Het team bereikte haar proof of principle door een silicium wafer met een dunne laag lithiumniobaat — een synthetisch materiaal uitgebreid gebruikt in piezoelektrische apparaten en mobiele telefoons — te nemen en een ultra-dunne laag (minder dan 100 atomen dik) van een halfgeleider met indiumgalliumarsenide toe te voegen.

"Wanneer we deze materialen op de juiste manier combineerden, konden we een nieuw regime van fononische non-lineariteit benaderen," aldus Sandia engineer Lisa Hackett, hoofdauteur van het paper. "Dit betekent dat we een pad naar voren hebben om high-performance tech voor het zenden en ontvangen van radiogolven te uitvinden die kleiner is dan ooit mogelijk."

In deze opstelling gedragen akoestische golven die door het systeem bewegen zich nonlineair wanneer ze door de materialen reizen. Dit effect kan gebruikt worden om frequenties te veranderen en informatie te encoderen. Een vast onderdeel van fotonica, nonlineaire effecten zijn lang gebruikt om dingen zoals onzichtbaar laserlicht zichtbaar te maken in laserpointers, maar het benutten van nonlineaire effecten in fononica is gehinderd door beperkingen in technologie en materialen. Zum voorbeeld, hoewel lithiumniobaat een van de meest nonlineaire fononische materialen bekend is, wordt de bruikbaarheid voor technische toepassingen gehinderd doordat die non-lineariteiten erg zwak zijn wanneer op zich gebruikt.

Door de indium-galliumarsenide halfgeleider toe te voegen, creëerde Eichenfield's groep een omgeving waarin de akoestische golven die door het materiaal reizen de verdeling van elektrische ladingen in de indiumgalliumarsenide halfgeleiderfilm beïnvloeden, wat ertoe leidt dat de akoestische golven op specifieke manieren mengen die gecontroleerd kunnen worden, wat het systeem opent voor diverse toepassingen.

"De effectieve non-lineariteit die je met deze materialen kunt genereren is honderden of zelfs duizenden keer groter dan voorheen mogelijk was, wat ongelofelijk is," aldus Eichenfield. "Als je hetzelfde voor nonlineaire optica kon doen, zou je het vakgebied revolutioneren."

Met fysieke grootte als een van de fundamentele beperkingen van huidige, state-of-the-art radiofrequentie verwerkingshardware, kan de nieuwe technologie de deur openen voor elektronische apparaten die nog capable zijn dan hun huidige tegenhangers, volgens de auteurs. Communicatieapparaten die praktisch geen ruimte innemen, betere signaaldekking hebben en langere batterijduur, liggen op de horizon.

Bron