E se i tuoi auricolari potessero fare tutto ciò che il tuo smartphone può già fare, tranne meglio? Ciò che sembra un po’ fantascienza potrebbe in realtà non essere così lontano. Una nuova classe di materiali sintetici potrebbe annunciare la prossima rivoluzione delle tecnologie wireless, consentendo ai dispositivi di essere più piccoli, richiedere una minore potenza del segnale e consumare meno energia.
La chiave di questi progressi risiede in ciò che gli esperti chiamano fononica, che è simile alla fotonica. Entrambi sfruttano leggi fisiche simili e offrono nuovi modi per far avanzare la tecnologia. Mentre la fotonica sfrutta i fotoni, o la luce, la fononica fa lo stesso con i fononi, che sono le particelle fisiche che trasmettono vibrazioni meccaniche attraverso un materiale, simili al suono, ma a frequenze troppo alte per essere udite.
In un articolo pubblicato su Nature Materials , i ricercatori del Wyant College of Optical Sciences dell'Università dell'Arizona e dei Sandia National Laboratories riferiscono di aver raggiunto un traguardo importante verso le applicazioni del mondo reale basate sulla fononica.
Combinando materiali semiconduttori altamente specializzati e materiali piezoelettrici normalmente non utilizzati insieme, i ricercatori sono stati in grado di generare gigantesche interazioni non lineari tra fononi. Insieme alle innovazioni precedenti che dimostravano amplificatori per fononi che utilizzano gli stessi materiali, questo apre la possibilità di rendere dispositivi wireless come smartphone o altri trasmettitori di dati più piccoli, più efficienti e più potenti.
"La maggior parte delle persone sarebbe probabilmente sorpresa di sapere che ci sono qualcosa come 30 filtri all'interno dei loro telefoni cellulari il cui unico compito è trasformare le onde radio in onde sonore e ritorno", ha detto l'autore senior dello studio, Matt Eichenfield, che ha un appuntamento congiunto. presso l'UArizona College of Optical Sciences e i Sandia National Laboratories di Albuquerque, New Mexico.
Parte dei cosiddetti processori front-end, questi filtri piezoelettrici, realizzati su speciali microchip, sono necessari per convertire le onde sonore ed elettroniche più volte ogni volta che uno smartphone riceve o invia dati, ha affermato.
Poiché questi non possono essere realizzati con gli stessi materiali, come il silicio, degli altri chip di fondamentale importanza nel processore front-end, la dimensione fisica del tuo dispositivo è molto più grande di quanto dovrebbe essere e, lungo il percorso, ci sono perdite derivanti dall'andare avanti e indietro tra le onde radio e le onde sonore che si sommano e degradano le prestazioni, ha affermato Eichenfield.
"Normalmente, i fononi si comportano in modo completamente lineare, nel senso che non interagiscono tra loro", ha detto. "È un po' come far passare il raggio di un puntatore laser attraverso un altro; i raggi si attraversano semplicemente."
La fononica non lineare si riferisce a ciò che accade in materiali speciali quando i fononi possono e interagiscono tra loro, ha detto Eichenfield. Nel documento, i ricercatori hanno dimostrato quelle che lui chiama “nonlinearità fononiche giganti”. I materiali sintetici prodotti dal gruppo di ricerca hanno fatto sì che i fononi interagissero tra loro in modo molto più forte rispetto a qualsiasi materiale convenzionale.
"Nell'analogia del puntatore laser, questo sarebbe come cambiare la frequenza dei fotoni nel primo puntatore laser quando si accende il secondo", ha detto. "Di conseguenza, vedresti il raggio del primo cambiare colore."
Con i nuovi materiali fononici, i ricercatori hanno dimostrato che un fascio di fononi può, infatti, cambiare la frequenza di un altro fascio. Inoltre, hanno dimostrato che i fononi possono essere manipolati in modi che fino ad ora potevano essere realizzati solo con l'elettronica basata su transistor.
Il gruppo ha lavorato con l'obiettivo di realizzare tutti i componenti necessari per i processori di segnali a radiofrequenza utilizzando tecnologie di onde acustiche invece di elettronica basata su transistor su un singolo chip, in un modo compatibile con la produzione di microprocessori standard, e l'ultima pubblicazione dimostra che si può fare. In precedenza, i ricercatori erano riusciti a realizzare componenti acustici tra cui amplificatori, interruttori e altri. Con i mixer acustici descritti nell'ultima pubblicazione, hanno aggiunto l'ultimo pezzo del puzzle.
"Ora, puoi indicare ogni componente in un diagramma di un processore front-end a radiofrequenza e dire:'Sì, posso realizzarli tutti su un chip con onde acustiche'", ha detto Eichenfield. "Siamo pronti a passare alla realizzazione dell'intera faccenda nel dominio acustico."
Secondo Eichenfield, avere tutti i componenti necessari per realizzare un front-end a radiofrequenza su un singolo chip potrebbe ridurre le dimensioni di dispositivi come telefoni cellulari e altri gadget di comunicazione wireless fino a un fattore 100.
Il team ha raggiunto la prova di principio combinando materiali altamente specializzati in dispositivi di dimensioni microelettroniche attraverso i quali hanno inviato onde acustiche. Nello specifico, hanno preso un wafer di silicio con uno strato sottile di niobato di litio, un materiale sintetico ampiamente utilizzato nei dispositivi piezoelettronici e nei telefoni cellulari, e hanno aggiunto uno strato ultrasottile (spesso meno di 100 atomi) di un semiconduttore contenente arseniuro di indio e gallio. /P>
"Quando abbiamo combinato questi materiali nel modo giusto, siamo stati in grado di accedere sperimentalmente a un nuovo regime di non linearità fononica", ha affermato Lisa Hackett, ingegnere di Sandia, l'autrice principale dell'articolo. "Ciò significa che abbiamo la strada da percorrere per inventare una tecnologia ad alte prestazioni per l'invio e la ricezione di onde radio più piccole di quanto sia mai stato possibile."
In questa configurazione, le onde acustiche che si muovono attraverso il sistema si comportano in modo non lineare quando viaggiano attraverso i materiali. Questo effetto può essere utilizzato per modificare le frequenze e codificare le informazioni. Un elemento base della fotonica, gli effetti non lineari sono stati a lungo utilizzati per trasformare cose come la luce laser invisibile in puntatori laser visibili, ma lo sfruttamento degli effetti non lineari in fononica è stato ostacolato dalle limitazioni della tecnologia e dei materiali. Ad esempio, sebbene il niobato di litio sia uno dei materiali fononici più non lineari conosciuti, la sua utilità per le applicazioni tecniche è ostacolata dal fatto che tali non linearità sono molto deboli se utilizzate da sole.
Aggiungendo il semiconduttore all'arseniuro di indio-gallio, il gruppo di Eichenfield ha creato un ambiente in cui le onde acustiche che viaggiano attraverso il materiale influenzano la distribuzione delle cariche elettriche nella pellicola semiconduttrice dell'arseniuro di indio-gallio, provocando la miscelazione delle onde acustiche in modi specifici che possono essere controllati. , aprendo il sistema a varie applicazioni.
"L'effettiva non linearità che è possibile generare con questi materiali è centinaia o addirittura migliaia di volte maggiore di quanto fosse possibile prima, il che è pazzesco", ha affermato Eichenfield. "Se potessi fare lo stesso per l'ottica non lineare, rivoluzioneresti il campo."
Poiché le dimensioni fisiche rappresentano uno dei limiti fondamentali dell'attuale hardware di elaborazione della radiofrequenza all'avanguardia, secondo gli autori la nuova tecnologia potrebbe aprire la porta a dispositivi elettronici che sono ancora più capaci delle loro controparti attuali. Sono all'orizzonte dispositivi di comunicazione che non occupano praticamente spazio, hanno una migliore copertura del segnale e una maggiore durata della batteria.
Ulteriori informazioni: Lisa Hackett et al, Nonlinearità fononica mediata da elettroni giganti nelle eterostrutture semiconduttori-piezoelettriche, Nature Materials (2024). DOI:10.1038/s41563-024-01882-4
Informazioni sul giornale: Materiali naturali
Fornito dall'Università dell'Arizona
