Группа инженеров Колорадского и Аризонского университетов и Национальной лаборатории Сандия разработали поверхностно-акустический волновой фононный лазер, с помощью которого можно создать более совершенные версии чипов для мобильных телефонов и других беспроводных устройств. Это сделает эти устройства меньше, быстрее и эффективнее.
Новая технология использует явление, известное как поверхностные акустические волны. Они действуют подобно звуковым волнам, но, как следует из их названия, они распространяются только по верхнему слою материала.
«Устройства SAW (Surface Acoustic Wave) имеют решающее значение для многих важнейших мировых технологий», — сказал Айхенфилд, старший автор исследования. «Они есть во всех современных мобильных телефонах, брелках для ключей, устройствах для открывания гаражных ворот, большинстве GPS-приемников, многих радарных системах и многом другом».
В смартфоне поверхностные акустические волны уже выполняют функцию небольших фильтров. Радиомодули в вашем телефоне принимают радиоволны, исходящие от вышки сотовой связи. Затем они преобразуют эти сигналы в крошечные вибрации, что позволяет чипам легко устранять нежелательные сигналы и помехи. Затем то же устройство преобразует эти вибрации обратно в радиоволны.
В ходе текущего исследования ученые разработали новый способ создания поверхностных акустических волн с помощью «фононного лазера». Он работает как обычная лазерная указка, только генерирует вибрации.
«Представьте, что это почти как волны от землетрясения, только на поверхности небольшого чипа», — сказал Александр Вендт, аспирант Аризонского университета и ведущий автор исследования.
Для большинства современных устройств, генерирующих поверхностные акустические волны, требуются два разных чипа и источник питания. Устройство, разработанное командой, напротив, работает с использованием всего одного чипа и потенциально может генерировать поверхностные акустические волны на гораздо более высоких частотах, питаясь только от аккумулятора.
Чтобы понять, как работает новое устройство SAW, созданное командой, нужно представить себе традиционный лазер.
Большинство современных лазеров, известных как «диодные лазеры», работают за счёт отражения луча света между двумя микроскопическими зеркалами на поверхности полупроводникового чипа. Отражаясь, свет попадает на атомы полупроводникового материала, через которые проходит электрическое поле от батареи или другого источника питания. В процессе эти атомы испускают ещё больше света, и луч становится мощнее.
«Диодные лазеры являются основой большинства оптических технологий, потому что для их работы достаточно аккумулятора или простого источника напряжения, а не дополнительного освещения, как в случае с многими предыдущими типами лазеров, — сказал Эйхенфилд. — Мы хотели создать аналог такого лазера, но для гидроабразивных станков».
Для этого команда разработала устройство в форме стержня длиной около полумиллиметра.
Устройство представляет собой набор материалов. В готовом виде оно состоит из кремниевой пластины — того же материала, из которого делают большинство компьютерных чипов. Сверху находится тонкий слой ниобата лития. Ниобат лития — это «пьезоэлектрический» материал, то есть при вибрации он также создаёт колебательные электрические поля. И наоборот, при наличии колебательных электрических полей возникают вибрации.
Наконец, устройство включает в себя ещё более тонкий слой арсенида индия и галлия— необычного материала, который под воздействием слабого электрического поля может разгонять электроны до невероятно высоких скоростей.
Устройство работает примерно так же, как волновой бассейн.
Когда исследователи пропускают электрический ток через устройство, изготовленное из арсенида индия и галлия, в тонком слое ниобата лития образуются волны. Эти волны распространяются вперёд, достигают отражателя, а затем распространяются обратно — подобно свету, который отражается от двух зеркал в лазере. С каждым разом, когда волны распространяются вперёд, они становятся сильнее. С каждым разом, когда они распространяются назад, они становятся немного слабее.
«Он теряет почти 99 % своей мощности при движении назад, поэтому мы спроектировали его так, чтобы он значительно выигрывал в мощности при движении вперёд», — сказал Вендт.
После нескольких отражений волна становится очень большой. Устройство пропускает часть этой волны с одной стороны, что эквивалентно тому, как лазерный луч накапливается и выходит из пространства между зеркалами.
Группе удалось сгенерировать поверхностные акустические волны которые распространялись с частотой около 1 гигагерца, то есть миллиарды раз в секунду. Но исследователи также считают, что они могут легко увеличить частоту до многих десятков или даже сотен гигагерц.
Это гораздо более высокая частота, чем у традиционных устройств на поверхностных акустических волнах, максимальная частота которых обычно составляет около 4 гигагерц.
Исследователи считают, что новое устройство может привести к появлению более компактных, производительных и энергоэффективных беспроводных устройств.