Gli scienziati dei Sandia National Laboratories hanno costruito l'amplificatore acustico più piccolo e migliore al mondo. E lo hanno fatto usando un concetto che è stato quasi abbandonato per quasi 50 anni.

Secondo un articolo pubblicato il 13 maggio in Comunicazioni sulla natura , il dispositivo è più di 10 volte più efficace delle versioni precedenti. Il design e le direzioni di ricerca future promettono una tecnologia wireless più piccola.

I telefoni cellulari moderni sono pieni di radio per inviare e ricevere telefonate, messaggi di testo e dati ad alta velocità. Più radio in un dispositivo, più può fare. Mentre la maggior parte dei componenti radio, compresi gli amplificatori, sono elettronici, possono potenzialmente essere resi più piccoli e migliori come dispositivi acustici. Ciò significa che utilizzerebbero le onde sonore invece degli elettroni per elaborare i segnali radio.

"I dispositivi a onde acustiche sono intrinsecamente compatti perché le lunghezze d'onda del suono a queste frequenze sono così piccole, inferiori al diametro dei capelli umani, "Ha detto la scienziata di Sandia Lisa Hackett. Ma fino ad ora, l'uso delle onde sonore è stato impossibile per molti di questi componenti.

L'acustica di Sandia, amplificatore da 276 megahertz, misurando solo 0,0008 pollici quadrati (0,5 millimetri quadrati), dimostra il vasto, potenziale in gran parte non sfruttato per rendere le radio più piccole attraverso l'acustica. Per amplificare frequenze di 2 gigahertz, che trasportano gran parte del traffico dei cellulari moderni, il dispositivo sarebbe ancora più piccolo, 0,00003 pollici quadrati (0,02 millimetri quadrati), un'impronta che si adatterebbe comodamente all'interno di un granello di sale da cucina ed è più di 10 volte più piccola delle attuali tecnologie all'avanguardia.

Il team ha anche creato il primo circolatore acustico, un altro componente radio cruciale che separa i segnali trasmessi e ricevuti. Insieme, le parti petite rappresentano un percorso essenzialmente inesplorato per rendere tutte le tecnologie che inviano e ricevono informazioni con onde radio più piccole e più sofisticate, ha detto lo scienziato di Sandia Matt Eichenfield.

"Siamo i primi a dimostrare che è pratico realizzare le funzioni che normalmente vengono svolte nel dominio elettronico nel dominio acustico, "Ha detto Eichenfield.

Resuscitare un design vecchio di decenni

Gli scienziati hanno provato a realizzare amplificatori acustici a radiofrequenza decenni fa, ma gli ultimi importanti articoli accademici di questi sforzi furono pubblicati negli anni '70.

Senza le moderne tecnologie di nanofabbricazione, i loro dispositivi funzionavano troppo male per essere utili. Aumentare un segnale di un fattore 100 con i vecchi dispositivi richiedeva 0,4 pollici (1 centimetro) di spazio e 2, 000 volt di elettricità. Hanno anche generato molto calore, richiedono più di 500 milliwatt di potenza.

Il nuovo e migliorato amplificatore è più di 10 volte più efficace delle versioni costruite negli anni '70 in alcuni modi. Può aumentare la potenza del segnale di un fattore 100 in 0,008 pollici (0,2 millimetri) con solo 36 volt di elettricità e 20 milliwatt di potenza.

I ricercatori precedenti hanno raggiunto un vicolo cieco cercando di migliorare i dispositivi acustici, che non sono in grado di amplificarsi o circolare da soli, utilizzando strati di materiali semiconduttori. Affinché il loro concetto funzioni bene, il materiale aggiunto deve essere molto sottile e di altissima qualità, ma gli scienziati avevano solo tecniche per realizzare l'uno o l'altro.

Decenni dopo, Sandia ha sviluppato tecniche per fare entrambe le cose al fine di migliorare le celle fotovoltaiche aggiungendo una serie di strati sottili di materiali semiconduttori. Lo scienziato di Sandia che ha guidato questo sforzo è capitato di condividere un ufficio con Eichenfield.

"Ho avuto un'esposizione periferica piuttosto pesante. Ne ho sentito parlare tutto il tempo nel mio ufficio, " Ha detto Eichenfield. "Così veloce in avanti probabilmente tre anni dopo, Stavo leggendo questi articoli per curiosità su questo lavoro di amplificazione acusto-elettrica e leggevo cosa hanno cercato di fare, e mi sono reso conto che questo lavoro che Sandia aveva fatto per sviluppare queste tecniche essenzialmente per prendere molto, semiconduttori molto sottili e il loro trasferimento su altri materiali era esattamente ciò di cui avremmo avuto bisogno per far sì che questi dispositivi realizzassero tutte le loro promesse".

Sandia ha realizzato il suo amplificatore con materiali semiconduttori con uno spessore di 83 strati di atomi—1, 000 volte più sottile di un capello umano.

La fusione di uno strato semiconduttore ultrasottile su un dispositivo acustico dissimile ha richiesto un intricato processo di crescita dei cristalli sopra altri cristalli, legandoli ad altri cristalli e quindi rimuovendo chimicamente il 99,99% dei materiali per produrre una superficie di contatto perfettamente liscia. Metodi di nanofabbricazione come questo sono chiamati collettivamente integrazione eterogenea e sono un'area di ricerca di crescente interesse presso l'ingegneria dei microsistemi di Sandia, Scienza e applicazioni complesse e in tutta l'industria dei semiconduttori.

Amplificatori, circolatori e filtri sono normalmente prodotti separatamente perché sono tecnologie dissimili, ma Sandia li ha prodotti tutti sullo stesso chip acusto-elettrico. Più tecnologie si possono realizzare sullo stesso chip, la produzione diventa più semplice ed efficiente. La ricerca del team mostra che i restanti componenti di elaborazione del segnale radio potrebbero essere realizzati come estensioni dei dispositivi già dimostrati.

Il lavoro è stato finanziato dal programma di ricerca e sviluppo diretto dal laboratorio di Sandia e dal Centro per le nanotecnologie integrate, una struttura utente gestita congiuntamente dai laboratori nazionali Sandia e Los Alamos.

Quindi quanto tempo prima che queste piccole parti della radio rimarranno all'interno del tuo telefono? Probabilmente non per un po', disse Eichenfield. Conversione prodotti in serie, prodotti commerciali come i telefoni cellulari a tutte le tecnologie acusto-elettriche richiederebbero una massiccia revisione dell'infrastruttura di produzione, Egli ha detto. Ma per piccole produzioni di dispositivi specializzati, la tecnologia mantiene la promessa più immediata.

Il team di Sandia sta ora valutando se è possibile adattare la propria tecnologia per migliorare l'elaborazione del segnale completamente ottica, pure. Sono anche interessati a scoprire se la tecnologia può aiutare a isolare e manipolare singoli quanti di suono, chiamati fononi, il che lo renderebbe potenzialmente utile per il controllo e l'esecuzione di misurazioni in alcuni computer quantistici.