1768666482
2026-01-17 15:45:00
Инженеры сделали важный шаг к созданию самых маленьких землетрясений, когда-либо созданных, сократив сейсмические вибрации до масштабов микрочипа.
Прорыв связан с устройством, называемым фононным лазером на поверхностных акустических волнах. Эта технология в конечном итоге может позволить создать более совершенные чипы для смартфонов и другой беспроводной электроники, помогая сделать их меньше, быстрее и энергоэффективнее.
Исследование возглавил Мэтт Эйхенфилд, новый преподаватель Университета Колорадо в Боулдере, вместе с учеными из Университета Аризоны и Национальных лабораторий Сандии. Их выводы были опубликованы 14 января в журнале. Природа.
Что такое поверхностные акустические волны?
Новое устройство основано на поверхностных акустических волнах, широко известных как ПАВ. Эти волны ведут себя примерно так же, как звуковые волны, но вместо того, чтобы путешествовать по воздуху или глубоко внутри материала, они движутся только вдоль его поверхности.
Сильные землетрясения естественным образом производят мощные поверхностные акустические волны, которые колеблются по земной коре, сотрясая здания и нанося ущерб. В гораздо меньших масштабах ПАВ уже играют важную роль в современных технологиях.
«Устройства на ПАВ имеют решающее значение для многих важнейших мировых технологий», — сказал Эйхенфилд, старший автор нового исследования и заведующий кафедрой квантовой инженерии Густафсона в CU Boulder. «Они есть во всех современных мобильных телефонах, брелоках, устройствах для открывания гаражных ворот, большинстве GPS-приемников, многих радиолокационных системах и многом другом».
Как SAW уже используются в смартфонах
Внутри смартфона ПАВ действуют как высокоточные фильтры. Радиосигналы, поступающие от вышки сотовой связи, сначала преобразуются в крошечные механические вибрации. Это позволяет чипам отделять полезные сигналы от помех и фонового шума. Очищенные вибрации затем преобразуются обратно в радиоволны.
В этом исследовании Эйхенфилд и его коллеги представили новый способ генерации поверхностных волн с помощью так называемого фононного лазера. В отличие от обычной лазерной указки, излучающей свет, это устройство производит контролируемые вибрации.
«Думайте об этом почти как о волнах землетрясения, только на поверхности небольшого кусочка», — сказал Александр Вендт, аспирант Университета Аризоны и ведущий автор исследования.
Большинству существующих систем на ПАВ требуются две отдельные микросхемы и внешний источник питания. Новый дизайн объединяет все в одном чипе и может работать от батареи, достигая при этом гораздо более высоких частот.
Лазер, созданный для вибраций
Чтобы понять новое устройство, полезно начать с того, как работают обычные лазеры.
Многие повседневные лазеры представляют собой диодные лазеры, которые создают свет, отражая его между двумя крошечными зеркалами на полупроводниковом чипе. Когда свет отражается вперед и назад, он взаимодействует с атомами, находящимися под напряжением электрического тока. Эти атомы излучают дополнительный свет, усиливая луч.
Чтобы добиться этого, команда построила устройство в форме стержня длиной около полмиллиметра.
Стопка специализированных материалов
Устройство состоит из нескольких слоистых материалов. В его основе лежит кремний, тот же материал, который используется в большинстве компьютерных чипов. Над ним находится тонкий слой ниобата лития, пьезоэлектрического материала. Когда ниобат лития вибрирует, он создает колеблющиеся электрические поля, и эти электрические поля также могут вызывать вибрации.
Последний слой представляет собой чрезвычайно тонкий лист арсенида индия-галлия. Этот материал обладает необычными электронными свойствами и может ускорять электроны до очень высоких скоростей даже в слабых электрических полях.
Вместе эти слои позволяют вибрациям, распространяющимся по поверхности ниобата лития, напрямую взаимодействовать с быстродвижущимися электронами в арсениде индия-галлия.
Заставить волны строиться как лазер
Исследователи описывают, что устройство работает аналогично волновому бассейну.
Когда электрический ток протекает через арсенид индия-галлия, в слое ниобата лития образуются поверхностные волны. Эти волны движутся вперед, ударяются о отражатель, а затем движутся назад, подобно свету, отражающемуся между зеркалами в лазере. Каждый проход вперед усиливает волну, а каждый проход назад ослабляет ее.
«Он теряет почти 99% своей мощности при движении назад, поэтому мы разработали его так, чтобы получить существенный прирост при движении вперед, чтобы преодолеть это», — сказал Вендт.
После повторных проходов вибрации становятся настолько сильными, что часть устройства выходит за пределы одной стороны устройства, подобно тому, как лазерный свет в конечном итоге выходит из его полости.
Более быстрые волны, меньшие устройства
Используя этот подход, команда создала поверхностные акустические волны, вибрирующие с частотой около 1 гигагерца, что означает миллиарды колебаний в секунду. Исследователи полагают, что та же конструкция может работать на частотах в десятки или даже сотни гигагерц.
Традиционные устройства на SAW обычно работают на частоте около 4 гигагерц, что делает новую систему намного быстрее.
Эйхенфилд сказал, что этот прогресс может привести к созданию беспроводных устройств, которые будут меньшими по размеру, более мощными и более энергоэффективными.
В современных смартфонах несколько чипов многократно преобразуют радиоволны в ПАВ и обратно всякий раз, когда пользователи отправляют сообщения, совершают звонки или просматривают Интернет. Исследователи стремятся упростить этот процесс, создав единый чип, который выполняет всю обработку сигналов с использованием поверхностных акустических волн.
«Этот фононный лазер был последним уцелевшим домино, которое нам нужно было разрушить», — сказал Эйхенфилд. «Теперь мы можем буквально изготовить каждый компонент, который вам нужен для радио, на одном чипе, используя одну и ту же технологию».
#Инженеры #только #что #создали #фононный #лазер #который #может #уменьшить #размер #вашего #следующего #смартфона
Читайте также
