Nye fononiske materialer kan føre til mindre, mere kraftfulde trådløse enheder

Gruppen har arbejdet hen imod målet om at lave alle de nødvendige komponenter til radiofrekvenssignalprocessorer ved hjælp af akustiske bølgeteknologier i stedet for transistorbaseret elektronik på en enkelt chip på en måde, der er kompatibel med standard mikroprocessorfremstilling, og den seneste publikation beviser at det kan lade sig gøre. Tidligere er det lykkedes forskerne at lave akustiske komponenter, herunder forstærkere, switches og andre. Med de akustiske mixere beskrevet i den seneste publikation har de tilføjet den sidste brik i puslespillet.

"Nu kan du pege på hver komponent i et diagram af en radiofrekvens front-end processor og sige, 'Ja, jeg kan lave alle disse på en chip med akustiske bølger'," sagde Eichenfield. "Vi er klar til at gå videre til at lave det hele i det akustiske domæne."

At have alle de nødvendige komponenter til at lave en radiofrekvensfrontend på en enkelt chip kan krympe enheder såsom mobiltelefoner og andre trådløse kommunikations-gadgets med så meget som en faktor 100, ifølge Eichenfield.

Holdet opnåede sit bevis på princippet ved at kombinere højt specialiserede materialer til enheder på størrelse med mikroelektronik, hvorigennem de sendte akustiske bølger. Specifikt tog de en siliciumwafer med et tyndt lag lithiumniobat - et syntetisk materiale, der i vid udstrækning anvendes i piezoelektroniske enheder og mobiltelefoner - og tilføjede et ultratyndt lag (mindre end 100 atomer tykt) af en halvleder indeholdende indiumgalliumarsenid.

"Da vi kombinerede disse materialer på den helt rigtige måde, var vi i stand til eksperimentelt at få adgang til et nyt regime af fononisk ikke-linearitet," sagde Sandia-ingeniør Lisa Hackett, hovedforfatter på papiret. "Dette betyder, at vi har en vej frem til at opfinde højtydende teknologi til at sende og modtage radiobølger, der er mindre end nogensinde har været muligt."

I denne opsætning opfører akustiske bølger, der bevæger sig gennem systemet, sig på ikke-lineære måder, når de bevæger sig gennem materialerne. Denne effekt kan bruges til at ændre frekvenser og kode information. Ikke-lineære effekter er en fast bestanddel af fotonik, og ikke-lineære effekter har længe været brugt til at gøre ting som usynligt laserlys til synlige laserpointere, men at drage fordel af ikke-lineære effekter i fononik er blevet hindret af begrænsninger i teknologi og materialer. For eksempel, mens lithiumniobat er et af de mest kendte ikke-lineære fononiske materialer, hindres dets anvendelighed til tekniske anvendelser af det faktum, at disse ikke-lineariteter er meget svage, når de bruges alene.

Ved at tilføje indium-galliumarsenid-halvlederen skabte Eichenfields gruppe et miljø, hvor de akustiske bølger, der bevæger sig gennem materialet, påvirker fordelingen af ​​elektriske ladninger i indium-galliumarsenid-halvlederfilmen, hvilket får de akustiske bølger til at blande sig på bestemte måder, der kan kontrolleres , åbner systemet for forskellige applikationer.

"Den effektive ikke-linearitet, du kan generere med disse materialer, er hundredvis eller endda tusindvis af gange større, end det var muligt før, hvilket er vanvittigt," sagde Eichenfield. "Hvis du kunne gøre det samme for ikke-lineær optik, ville du revolutionere feltet."

Da fysisk størrelse er en af ​​de grundlæggende begrænsninger af nuværende, avancerede radiofrekvensbehandlingshardware, kan den nye teknologi åbne døren til elektroniske enheder, der er endnu mere dygtige end deres nuværende modstykker, ifølge forfatterne. Kommunikationsenheder, der stort set ikke tager plads, har bedre signaldækning og længere batterilevetid, er i horisonten.

Flere oplysninger: Lisa Hackett et al., Kæmpeelektronmedieret fononisk ikke-linearitet i halvleder-piezoelektriske heterostrukturer, Naturmaterialer (2024). DOI:10.1038/s41563-024-01882-4

Journaloplysninger: Naturmaterialer

Leveret af University of Arizona