Os engenheiros deram um grande passo para criar os menores terremotos já criados, reduzindo os tremores de estilo sísmico à escala de um microchip.
A inovação está centrada em um dispositivo chamado laser fônon de ondas acústicas de superfície. A tecnologia poderá eventualmente permitir chips mais avançados para smartphones e outros dispositivos eletrônicos sem fio, ajudando a torná-los menores, mais rápidos e mais eficientes em termos energéticos.
A pesquisa foi liderada pelo novo membro do corpo docente Matt Eichenfeld, da Universidade do Colorado Boulder, e por cientistas da Universidade do Arizona e dos Laboratórios Nacionais Sandia. Seus resultados foram publicados na revista em 14 de janeiro. a natureza.
O que é onda acústica de superfície?
O novo dispositivo depende de ondas acústicas de superfície, comumente conhecidas como SAWs. Essas ondas se comportam como ondas sonoras, mas em vez de viajarem pelo ar ou profundamente em um material, elas simplesmente viajam ao longo de sua superfície.
Grandes terremotos produzem naturalmente fortes ondas acústicas superficiais que viajam pela crosta terrestre, sacudindo edifícios e causando danos. Numa escala muito menor, os SAWs já são essenciais para a tecnologia moderna.
“Os dispositivos SAWs são críticos para muitas das tecnologias mais importantes do mundo”, disse Eichenfeld, autor sênior do novo estudo e presidente dotado de Gustafson em Engenharia Quântica na CU Boulder. “Eles estão em todos os telefones celulares modernos, chaveiros, abridores de portas de garagem, na maioria dos receptores GPS, em muitos sistemas de radar e muito mais.”
Como os SAWs já alimentam smartphones
Dentro de um smartphone, os SAWs atuam como filtros altamente precisos. Os sinais de rádio provenientes de uma torre de celular são primeiro convertidos em pequenas vibrações mecânicas. Isso permite que os chips separem sinais úteis de interferência e ruído de fundo. As vibrações eliminadas são convertidas novamente em ondas de rádio.
Neste estudo, Eichenfeld e seus colegas introduziram uma nova maneira de gerar essas ondas de superfície usando os chamados lasers de fônons. Ao contrário de um apontador laser típico que emite luz, este dispositivo produz vibrações controladas.
“Pense nisso quase como uma onda de terremoto, apenas na superfície de um minúsculo chip”, disse Alexander Wendt, estudante de graduação da Universidade do Arizona e principal autor do estudo.
A maioria dos sistemas SAW existentes requerem dois chips separados e uma fonte de alimentação externa. O novo design integra tudo em um único chip e pode operar usando apenas uma bateria enquanto atinge frequências muito mais altas.
Um laser construído para vibração
Para entender o novo dispositivo, é útil começar explicando como funcionam os lasers convencionais.
Muitos lasers comuns são lasers de diodo, que produzem luz refletindo entre dois pequenos espelhos em um chip semicondutor. À medida que a luz é refletida para frente e para trás, ela interage com átomos carregados com corrente elétrica. Esses átomos liberam luz adicional, fortalecendo o feixe.
“Os lasers de diodo são a base da maioria das tecnologias ópticas porque podem ser alimentados apenas com uma bateria ou uma simples fonte de tensão, em vez de precisar de mais luz para produzir um laser como os lasers anteriores”, disse Eichenfeld. “Queríamos criar um análogo desse tipo de laser, mas para SAWs.”
Para conseguir isso, a equipe criou um dispositivo em forma de barra com cerca de meio milímetro de comprimento.
Uma pilha de materiais especializados
O dispositivo consiste em vários materiais em camadas. É baseado em silício, o mesmo material usado na maioria dos chips de computador. Além disso, há uma fina camada de niobato de lítio, um material piezoelétrico. Quando o niobato de lítio vibra, ele cria campos elétricos oscilantes, e esses campos elétricos também podem desencadear vibrações.
A camada final é uma folha extremamente fina de arsenieto de índio e gálio. Este material possui propriedades eletrônicas incomuns e pode acelerar elétrons a velocidades muito altas, mesmo sob campos elétricos fracos.
Juntas, essas camadas permitem que as vibrações que viajam ao longo da superfície do niobato de lítio interajam diretamente com os elétrons que se movem rapidamente no arsenieto de índio e gálio.
Criando ondas semelhantes a laser
Os pesquisadores descreveram o dispositivo como agindo como uma piscina de ondas.
Quando uma corrente elétrica passa através do arsenieto de índio e gálio, ondas superficiais são formadas na camada de niobato de lítio. Essas ondas viajam para frente, atingem um refletor e depois voltam, como o reflexo da luz em um espelho laser. Cada passagem para frente fortalece a onda, enquanto cada passagem para trás a enfraquece.
“Ele perde cerca de 99% de sua energia quando retrocede, então o projetamos para ter ganho suficiente para avançar e vencê-lo”, disse Wendt.
Após repetidas passagens, as vibrações tornam-se fortes o suficiente para que uma peça escape de um lado do dispositivo, à medida que a luz do laser eventualmente sai de sua cavidade.
Ondas mais rápidas, dispositivos menores
Usando este método, a equipe gerou ondas acústicas de superfície pulsando a cerca de 1 GHz, o que significa bilhões de oscilações por segundo. Os pesquisadores acreditam que o mesmo design poderia ser levado a dezenas ou até centenas de gigahertz.
Os dispositivos SAW tradicionais normalmente atingem o máximo em torno de 4 GHz, tornando o novo sistema ainda mais rápido.
Eichenfeld disse que o avanço pode levar a dispositivos sem fio menores, mais potentes e mais eficientes em termos energéticos.
Nos smartphones atuais, vários chips convertem repetidamente ondas de rádio em SAW e vice-versa sempre que os usuários enviam mensagens, fazem chamadas ou navegam na Internet. Os pesquisadores pretendem simplificar esse processo criando um único chip que lide com todo o processamento de sinais usando ondas acústicas de superfície.
“Este laser fônon foi o último dominó que precisávamos derrubar”, disse Eichenfeld. “Agora podemos literalmente fabricar todos os componentes necessários para um rádio usando a mesma tecnologia.”
