Verdens mindste, bedste akustiske forstærker fremgår af 50 år gammel hypotese

Forskere ved Sandia National Laboratories har bygget verdens mindste og bedste akustiske forstærker. Og de gjorde det ved hjælp af et koncept, der næsten var forladt i næsten 50 år.

Ifølge et papir offentliggjort 13. maj i Naturkommunikation , enheden er mere end 10 gange mere effektiv end de tidligere versioner. Designet og fremtidige forskningsretninger lover mindre trådløs teknologi.

Moderne mobiltelefoner er spækket med radioer til at sende og modtage telefonopkald, tekstbeskeder og højhastighedsdata. Jo flere radioer i en enhed, jo mere kan den gøre. Mens de fleste radiokomponenter, inklusive forstærkere, er elektroniske, de kan potentielt gøres mindre og bedre som akustiske apparater. Det betyder, at de ville bruge lydbølger i stedet for elektroner til at behandle radiosignaler.

"Akustiske bølgeanordninger er i sagens natur kompakte, fordi lydens bølgelængder ved disse frekvenser er så små - mindre end diameteren af ​​menneskehår, " sagde Sandia-videnskabsmanden Lisa Hackett. Men indtil nu, at bruge lydbølger har været umuligt for mange af disse komponenter.

Sandia er akustisk, 276 megahertz forstærker, måler kun 0,0008 kvadrattomme (0,5 kvadratmillimeter), demonstrerer det store, stort set uudnyttet potentiale for at gøre radioer mindre gennem akustik. For at forstærke 2 gigahertz-frekvenser, som bærer meget af moderne mobiltelefontrafik, enheden ville være endnu mindre, 0,00003 kvadrattomme (0,02 kvadratmillimeter), et fodaftryk, der komfortabelt ville passe ind i et gran bordsalt og er mere end 10 gange mindre end de nuværende avancerede teknologier.

Holdet skabte også den første akustiske cirkulator, en anden vigtig radiokomponent, der adskiller transmitterede og modtagne signaler. Sammen, de små dele repræsenterer en i det væsentlige ukendt vej mod at gøre alle teknologier, der sender og modtager information med radiobølger, mindre og mere sofistikerede, sagde Sandia-forsker Matt Eichenfield.

"Vi er de første til at vise, at det er praktisk at gøre de funktioner, der normalt udføres i det elektroniske domæne, i det akustiske domæne, " sagde Eichenfield.

Genopliver et årtier gammelt design

Forskere forsøgte at lave akustiske radiofrekvensforstærkere for årtier siden, men de sidste store akademiske artikler fra denne indsats blev offentliggjort i 1970'erne.

Uden moderne nanofabrikationsteknologier, deres enheder klarede sig for dårligt til at være nyttige. Forøgelse af et signal med en faktor 100 med de gamle enheder krævede 0,4 tommer (1 centimeter) plads og 2, 000 volt elektricitet. De genererede også en masse varme, kræver mere end 500 milliwatt strøm.

Den nye og forbedrede forstærker er mere end 10 gange så effektiv som versionerne bygget i 70'erne på nogle få måder. Det kan øge signalstyrken med en faktor på 100 i 0,008 tommer (0,2 millimeter) med kun 36 volt elektricitet og 20 milliwatt strøm.

Tidligere forskere ramte en blindgyde i forsøget på at forbedre akustiske enheder, som ikke er i stand til at forstærke eller cirkulere alene ved at bruge lag af halvledermaterialer. For at deres koncept fungerer godt, det tilsatte materiale skal være meget tyndt og af meget høj kvalitet, men videnskabsmænd havde kun teknikker til at lave det ene eller det andet.

Årtier senere, Sandia udviklede teknikker til at gøre begge dele for at forbedre fotovoltaiske celler ved at tilføje en række tynde lag af halvledende materialer. Sandia-videnskabsmanden, der leder denne indsats, delte tilfældigvis et kontor med Eichenfield.

"Jeg havde nogle ret tunge perifere eksponeringer. Jeg hørte om det hele tiden på mit kontor, " sagde Eichenfield. "Så hurtigt frem, sandsynligvis tre år senere, Jeg læste disse papirer af nysgerrighed om dette akustisk-elektriske forstærkerarbejde og læste om, hvad de forsøgte at gøre, og jeg indså, at dette arbejde, Sandia havde udført for at udvikle disse teknikker til i det væsentlige at tage meget, meget tynde halvledere og overførsel til andre materialer var præcis det, vi skulle bruge for at få disse enheder til at indfri alle deres løfter. "

Sandia lavede sin forstærker med halvledermaterialer, der er 83 lag atomer tykke - 1, 000 gange tyndere end et menneskehår.

At sammensmelte et ultratyndt halvledende lag på en uens akustisk enhed tog en indviklet proces med at dyrke krystaller oven på andre krystaller, binde dem til endnu andre krystaller og derefter kemisk fjerne 99,99% af materialerne for at producere en perfekt glat kontaktflade. Nanofremstillingsmetoder som denne kaldes samlet for heterogen integration og er et forskningsområde med stigende interesse hos Sandia's Microsystems Engineering, Videnskab og applikationer komplekse og i hele halvlederindustrien.

forstærkere, Cirkulationspumper og filtre produceres normalt separat, fordi de er forskellige teknologier, men Sandia producerede dem alle på den samme akusto-elektriske chip. Jo flere teknologier, der kan laves på den samme chip, jo enklere og mere effektiv bliver fremstillingen. Holdets forskning viser, at de resterende radiosignalbehandlingskomponenter kunne tænkes at blive lavet som udvidelser af de allerede demonstrerede enheder.

Arbejdet blev finansieret af Sandias Laboratory Directed Research and Development-program og Center for Integrated Nanotechnologies, en brugerfacilitet, der drives i fællesskab af Sandia og Los Alamos nationale laboratorier.

Så hvor lang tid, før disse små radiodele er inde i din telefon? Sandsynligvis ikke et stykke tid, sagde Eichenfield. Konvertering af masseproducerede, kommercielle produkter som mobiltelefoner til al akusto-elektrisk teknologi ville kræve en massiv revision af produktionsinfrastrukturen, han sagde. Men for små produktioner af specialiserede enheder, teknologien har mere umiddelbare løfter.

Sandia-teamet undersøger nu, om de kan tilpasse deres teknologi til at forbedre al-optisk signalbehandling, også. De er også interesserede i at finde ud af, om teknologien kan hjælpe med at isolere og manipulere enkelte lydkvanta, kaldet fononer, hvilket potentielt ville gøre det nyttigt til at kontrollere og foretage målinger i nogle kvantecomputere.