Foto: AI/ScienceDaily

Inženýři vytvořili zařízení generující mikroskopická zemětřesení

Autor původního článku: redakce

Inženýři se naučili, jak vytvářet mikroskopická zemětřesení na čipu—a to by mohlo přetvořit budoucnost bezdrátové technologie. Vědci z University of Colorado v Boulderu, ve spolupráci s University of Arizona a Sandia National Laboratories, dosáhli průlomu v produkci nejmenších zemětřesení, jaké kdy byly vytvořeny, zmenšováním seismických vibrací na úroveň mikročipu. Tento průlom se soustředí na zařízení nazývané fononový laser pro povrchové akustické vlny. Tato technologie by mohla nakonec umožnit pokročilejší čipy pro smartphony a další bezdrátovou elektroniku, což by pomohlo zmenšit jejich velikost, zvýšit rychlost a zlepšit energetickou účinnost. Výzkum vedl Matt Eichenfield, nastupující člen fakulty na University of Colorado Boulder, spolu s vědci z University of Arizona a Sandia National Laboratories. Jejich zjištění byla publikována 14. ledna v časopise Nature.

Co jsou povrchové akustické vlny?

Nové zařízení spoléhá na povrchové akustické vlny, běžně známé jako SAWs. Tyto vlny se chovají podobně jako zvukové vlny, ale místo toho, aby se šířily vzduchem nebo hluboko uvnitř materiálu, pohybují se pouze po jeho povrchu. Velká zemětřesení přirozeně produkují silné povrchové akustické vlny, které se šíří po zemské kůře, třesou budovami a způsobují škody. V mnohem menším měřítku jsou SAWs již nezbytné pro moderní technologie. „SAWs zařízení jsou klíčová pro mnoho z nejdůležitějších technologií světa,“ řekl Eichenfield, hlavní autor nové studie a Gustafson Endowed Chair v kvantovém inženýrství na CU Boulder. „Jsou ve všech moderních mobilních telefonech, klíčenkách, dálkových ovladačích garážových vrat, většině GPS přijímačů, mnoha radarových systémech a dalších.“

Jak SAWs již pohánějí smartphony

Uvnitř smartphonu fungují SAWs jako vysoce přesné filtry. Rádiové signály přicházející z vysílače mobilní sítě jsou nejprve převedeny na drobné mechanické vibrace. To umožňuje čipům oddělit užitečné signály od rušení a šumu pozadí. Vyčištěné vibrace jsou pak převedeny zpět na rádiové vlny. V této studii Eichenfield a jeho kolegové představili nový způsob generování těchto povrchových vln pomocí toho, co nazývají fononový laser. Na rozdíl od typického laserového ukazovátka, které vyzařuje světlo, toto zařízení produkuje řízené vibrace. „Představte si to téměř jako vlny z zemětřesení, pouze na povrchu malého čipu,“ řekl Alexander Wendt, doktorand na University of Arizona a hlavní autor studie.

Laser určený pro vibrace

Chcete-li pochopit nové zařízení, pomůže začít s tím, jak fungují konvenční lasery. Mnoho běžných laserů jsou diodové lasery, které vytvářejí světlo odrážením mezi dvěma malými zrcadly na polovodičovém čipu. Jak se světlo odráží tam a zpět, interaguje s atomy nabitými elektrickým proudem. Tyto atomy uvolňují další světlo, čímž zesilují paprsek. „Diodové lasery jsou základem většiny optických technologií, protože mohou být provozovány pouze s baterií nebo jednoduchým napěťovým zdrojem, místo toho, aby potřebovaly více světla k vytvoření laseru jako mnoho předchozích typů laserů,“ řekl Eichenfield. „Chtěli jsme vytvořit analog tohoto typu laseru, ale pro SAWs.“

Aby toho dosáhli, tým postavil zařízení ve tvaru tyče o délce asi půl milimetru. Zařízení se skládá z několika vrstev materiálů. Na základně je křemík, stejný materiál používaný ve většině počítačových čipů. Nad ním leží tenká vrstva niobátu lithného, piezoelektrického materiálu. Když niobát lithný vibruje, produkuje oscilující elektrická pole, a tato elektrická pole mohou také vyvolat vibrace. Poslední vrstva je extrémně tenký list arsenidu india a galia. Tento materiál má neobvyklé elektronické vlastnosti a může urychlit elektrony na velmi vysoké rychlosti i při slabých elektrických polích. Společně tyto vrstvy umožňují vibracím pohybujícím se po povrchu niobátu lithného přímo interagovat s rychle se pohybujícími elektrony v arsenidu india a galia.

Rychlejší vlny, menší zařízení

Použitím tohoto přístupu tým generoval povrchové akustické vlny vibrující na frekvenci asi 1 gigahertz, což znamená miliardy oscilací za sekundu. Výzkumníci věří, že stejný design by mohl být posunut do desítek nebo dokonce stovek gigahertz. Tradiční SAW zařízení obvykle dosahují maxima kolem 4 gigahertz, což činí nový systém mnohem rychlejším. Eichenfield uvedl, že tento pokrok by mohl vést k bezdrátovým zařízením, která jsou menší, výkonnější a energeticky úspornější. V dnešních smartphonech více čipů opakovaně převádí rádiové vlny na SAWs a zpět, kdykoli uživatelé posílají zprávy, telefonují nebo procházejí internet. Výzkumníci se snaží tento proces zjednodušit vytvořením jediného čipu, který by zpracovával všechny signály pomocí povrchových akustických vln. „Tento fononový laser byl posledním dominem, které jsme potřebovali srazit,“ řekl Eichenfield. „Nyní můžeme doslova vytvořit každou komponentu, kterou potřebujete pro rádio na jednom čipu pomocí stejného druhu technologie.“