Mikrofale jak podczas trzęsienia ziemi
Nowe urządzenie opiera się na tzw. powierzchniowych falach akustycznych (SAW). Są one podobne do fal dźwiękowych, ale rozchodzą się wyłącznie po powierzchni materiału. W naturze ich największym przykładem są trzęsienia ziemi. To właśnie takie fale przemieszczają się po powierzchni Ziemi, powodując drgania gruntu i budynków.
W skali mikro SAW od dawna są jednak obecne w naszym codziennym życiu. Znajdują się m.in. w smartfonach, systemach GPS, pilotach samochodowych, otwieraczach do bram garażowych czy radarach. Ich zadaniem jest filtrowanie sygnałów i usuwanie zakłóceń.
Laser, który nie świeci, lecz drga
Zespół badaczy pod kierunkiem Matta Eichenfielda z Uniwersytetu Kolorado w Boulder stworzył nowy sposób generowania tych fal za pomocą tzw. lasera fononowego. Działa on podobnie jak klasyczny laser, ale zamiast światła wytwarza drgania mechaniczne.
„To niemal jak fale z trzęsienia ziemi, tylko na powierzchni małego chipu” - tłumaczy Alexander Wendt, główny autor badania.
Kluczową zaletą nowego rozwiązania jest prostota. W przeciwieństwie do obecnych technologii SAW, które wymagają kilku chipów i złożonego zasilania, laser fononowy działa na jednym chipie i może być zasilany zwykłą baterią.
Jak to działa?
Urządzenie składa się z kilku ultracienkich warstw materiałów. Podstawą jest krzem, znany z produkcji układów scalonych. Na nim znajduje się warstwa niobianu litu, materiału piezoelektrycznego, który zamienia drgania w pola elektryczne i odwrotnie. Całość uzupełnia warstwa arsenku indu i galu, umożliwiająca bardzo szybkie przyspieszanie elektronów.
Po przyłożeniu prądu w urządzeniu powstają fale, które odbijają się tam i z powrotem, podobnie jak światło w laserze. Z każdym przebiegiem fala wzmacnia się, aż jej część „wydostaje się” na zewnątrz jako użyteczny sygnał.
Rekordowe częstotliwości
Naukowcom udało się uzyskać fale o częstotliwości około 1 gigaherca, czyli miliardy drgań na sekundę. Co więcej, technologia ta ma potencjał osiągania nawet kilkudziesięciu lub kilkuset gigaherców. To ogromny skok w porównaniu z obecnymi urządzeniami SAW, które zwykle nie przekraczają 4 gigaherców.
Co to oznacza dla użytkowników?
Dla przeciętnego użytkownika smartfona oznacza to jedno: lepsze urządzenia. Mniejsze chipy, wyższa wydajność, mniejsze zużycie energii i szybsze przetwarzanie sygnałów bezprzewodowych.
Obecnie smartfon podczas wykonywania połączenia czy wysyłania wiadomości wielokrotnie przekształca sygnały radiowe w fale akustyczne i z powrotem, korzystając z wielu różnych chipów. Nowa technologia może pozwolić zamknąć cały ten proces w jednym układzie.
„Laser fononowy był ostatnim brakującym elementem układanki” mówi Eichenfield. „Teraz możemy stworzyć wszystkie komponenty radia na jednym chipie, używając tej samej technologii”.
Mały chip, wielka zmiana
Choć na komercyjne zastosowania trzeba jeszcze poczekać, odkrycie pokazuje, jak zaawansowana fizyka może realnie wpłynąć na codzienną technologię. Trzęsienie ziemi na chipie może w przyszłości wstrząsnąć rynkiem elektroniki, na szczęście tylko w przenośni.
Źródło: University of Colorado Boulder
