Инженеры совершили значительный прорыв, научившись генерировать мельчайшие вибрации, подобные сейсмическим волнам, прямо на поверхности микрочипа. Это достижение стало возможным благодаря созданию устройства под названием фононный лазер на поверхностных акустических волнах (ПАВ). Технология открывает путь к разработке более совершенных, компактных, быстрых и энергоэффективных чипов для смартфонов и другой беспроводной электроники. Исследование, проведенное учеными из Университета Колорадо в Боулдере, Университета Аризоны и Национальных лабораторий Сандия, было опубликовано в престижном журнале Nature.
Поверхностные акустические волны (ПАВ) — это колебания, распространяющиеся только по поверхности материала. В глобальном масштабе мощные ПАВ порождают землетрясения, а в микроскопическом — они уже являются основой многих современных технологий. Как отмечает старший автор исследования Мэтт Эйхенфилд, устройства на ПАВ критически важны и присутствуют во всех современных сотовых телефонах, брелоках, устройствах открывания гаражей, большинстве GPS-приемников и многих радарных системах.
Внутри смартфона ПАВ действуют как сверхточные фильтры. Они преобразуют радиосигналы от вышки в крошечные механические вибрации, что позволяет чипу отделить полезный сигнал от помех и шума, после чего очищенные колебания снова превращаются в радиоволны. Новое устройство, созданное командой, генерирует эти поверхностные волны иначе — с помощью фононного лазера, который производит контролируемые вибрации, подобно тому как обычный лазер излучает свет. «Представьте это почти как волны от землетрясения, только на поверхности маленького чипа», — поясняет ведущий автор исследования, аспирант Университета Аризоны Александр Вендт.
Принцип работы устройства отчасти заимствован у обычных лазеров, например диодных, которые создают свет, многократно отражая его между двумя крошечными зеркалами на полупроводниковом чипе. «Мы хотели создать аналог такого лазера, но для поверхностных акустических волн», — говорит Эйхенфилд. Помимо оптических и фононных лазеров, в науке и технике широко используются и другие типы, такие как газовые, твердотельные, полупроводниковые, волоконные, рентгеновские и свободно-электронные лазеры, каждый из которых находит применение в медицине, промышленности, связи и фундаментальных исследованиях.
Для этого команда построила устройство в форме бруска длиной около половины миллиметра из нескольких слоев материалов. Основой служит кремний, поверх которого нанесен тонкий слой ниобата лития — пьезоэлектрического материала, создающего колеблющиеся электрические поля при вибрации. Верхний слой — это сверхтонкая пленка из арсенида галлия-индия, материала с необычными электронными свойствами, который позволяет электронам разгоняться до высоких скоростей даже в слабых полях, взаимодействуя с вибрациями в слое ниобата лития.
Исследователи сравнивают работу устройства с волновым бассейном. Когда электрический ток проходит через арсенид галлия-индия, на поверхности ниобата лития формируются волны. Они движутся вперед, отражаются и идут назад, подобно свету в лазерном резонаторе. Каждое движение вперед усиливает волну, а движение назад — ослабляет. «При движении назад она теряет почти 99% мощности, поэтому мы сконструировали систему так, чтобы при движении вперед получался существенный прирост, компенсирующий эти потери», — объясняет Вендт. После многократных проходов вибрации становятся достаточно сильными, чтобы часть их вышла с одной стороны устройства, как выходит луч лазера.
Используя этот подход, команда сгенерировала поверхностные акустические волны с частотой около 1 гигагерца (миллиарды колебаний в секунду). Ученые полагают, что ту же конструкцию можно адаптировать для работы на частотах в десятки или даже сотни гигагерц. Традиционные устройства ПАВ обычно достигают максимум около 4 ГГц, что делает новую систему гораздо более быстрой и перспективной для создания. Устройства на ПАВ с такими высокими частотами могут найти применение не только в улучшенных фильтрах для смартфонов, но и в высокоскоростной телекоммуникации, сверхчувствительных сенсорах для обнаружения биологических молекул или газов, в квантовых технологиях для манипулирования кубитами, а также в микроэлектромеханических системах (МЭМС) для миниатюрных резонаторов и датчиков в портативной электронике. Большинство существующих систем ПАВ требуют двух отдельных чипов и внешнего источника питания. Новая же конструкция объединяет все в одном чипе и потенциально может работать всего от батареи, достигая при этом гораздо более высоких частот.
Источник: Engineers just created a “phonon laser” that could shrink your next smartphone