Bagaimana jika earbud Anda dapat melakukan segala hal yang dapat dilakukan ponsel cerdas Anda, namun dengan lebih baik? Bahan Sintetis Baru Dapat Mewujudkan Hal Ini

Tim Matt Eichenfield di Sandia Nationwide Laboratories menggunakan beberapa frekuensi gelombang mikro untuk mengkarakterisasi perangkat pencampur fononik nonlinier yang mereka buat pada wafer silikon. Kredit: Laboratorium Nasional Bret Latter/Sandia

Bagaimana jika earbud Anda dapat melakukan semua hal yang dapat dilakukan ponsel cerdas Anda, kecuali lebih baik? Apa yang terdengar seperti fiksi ilmiah mungkin sebenarnya tidak terlalu jauh dari itu. Bahan sintetis kelas baru dapat menandai revolusi teknologi nirkabel berikutnya, memungkinkan perangkat menjadi lebih kecil, memerlukan lebih sedikit kekuatan sinyal, dan menggunakan lebih sedikit daya.

Kunci dari kemajuan ini terletak pada apa yang oleh para ahli disebut fononik, yang mirip dengan fotonik. Keduanya memanfaatkan hukum fisika yang serupa dan menawarkan cara-cara baru untuk memajukan teknologi. Meskipun fotonik memanfaatkan foton – atau cahaya – fononik melakukan hal yang sama dengan fonon, yaitu partikel fisik yang mengirimkan getaran mekanis melalui suatu materials, mirip dengan suara, tetapi pada frekuensi yang terlalu tinggi untuk didengar.

Dalam sebuah makalah yang diterbitkan di Bahan Alam, para peneliti di Fakultas Ilmu Optik Universitas Arizona Wyant dan Laboratorium Nasional Sandia melaporkan pencapaian besar menuju aplikasi dunia nyata berdasarkan fononik. Dengan menggabungkan bahan semikonduktor yang sangat terspesialisasi dan bahan piezoelektrik yang biasanya tidak digunakan bersama-sama, para peneliti mampu menghasilkan interaksi nonlinier raksasa antar fonon. Bersama dengan inovasi sebelumnya yang mendemonstrasikan amplifier untuk fonon yang menggunakan bahan yang sama, hal ini membuka kemungkinan untuk membuat perangkat nirkabel seperti ponsel pintar atau pemancar knowledge lainnya menjadi lebih kecil, lebih efisien, dan lebih bertenaga.

Teknologi Di Dalam Ponsel Cerdas

“Kebanyakan orang mungkin akan terkejut mendengar bahwa ada sekitar 30 filter di dalam ponsel mereka yang tugas utamanya adalah mengubah gelombang radio menjadi gelombang suara dan sebaliknya,” kata penulis senior studi tersebut, Matt Eichenfield, yang memegang janji temu bersama. di Sekolah Tinggi Ilmu Optik UArizona dan Laboratorium Nasional Sandia di Albuquerque, New Mexico.

Bagian dari apa yang dikenal sebagai prosesor front-end, filter piezoelektrik ini, dibuat pada microchip khusus, diperlukan untuk mengubah gelombang suara dan elektronik beberapa kali setiap kali smartphone menerima atau mengirim knowledge, katanya. Karena ini tidak dapat dibuat dari bahan yang sama, seperti silikon, seperti chip penting lainnya pada prosesor front-end, ukuran fisik perangkat Anda jauh lebih besar dari yang seharusnya, dan seiring berjalannya waktu, ada kerugian akibat bolak-balik antara gelombang radio dan gelombang suara yang menambah dan menurunkan kinerja, kata Eichenfield.

Matt Eichenfield, kiri, dan Lisa Hackett, berfoto di lab mereka di Sandia Nationwide Laboratories selama pandemi COVID-19. Berdasarkan penelitian sebelumnya, tim kini telah memproduksi mixer akustik, melengkapi daftar komponen yang diperlukan untuk membuat entrance finish frekuensi radio dalam satu chip. Kredit: Laboratorium Nasional Bret Latter/Sandia

“Biasanya, fonon berperilaku linier sepenuhnya, artinya mereka tidak berinteraksi satu sama lain,” katanya. “Ini seperti menyinari satu sinar laser pointer ke sinar laser lainnya; mereka hanya melewati satu sama lain.”

Fononik nonlinier mengacu pada apa yang terjadi pada materials khusus ketika fonon dapat dan memang berinteraksi satu sama lain, kata Eichenfield. Dalam makalah tersebut, para peneliti mendemonstrasikan apa yang disebutnya “nonlinier fononik raksasa”. Bahan sintetis yang dihasilkan oleh tim peneliti menyebabkan fonon berinteraksi satu sama lain jauh lebih kuat dibandingkan bahan konvensional mana pun.

“Dalam analogi penunjuk laser, ini seperti mengubah frekuensi foton pada penunjuk laser pertama saat Anda menyalakan penunjuk laser kedua,” katanya. Hasilnya, Anda akan melihat sinar dari sinar pertama berubah warna.

Dengan bahan fononik baru, para peneliti menunjukkan bahwa satu berkas fonon sebenarnya dapat mengubah frekuensi berkas lain. Terlebih lagi, mereka menunjukkan bahwa fonon dapat dimanipulasi dengan cara yang hanya dapat diwujudkan dengan elektronik berbasis transistor – hingga saat ini.

Kemajuan Menuju Solusi Chip Tunggal

Kelompok ini telah berupaya mencapai tujuan untuk membuat semua komponen yang diperlukan untuk pemroses sinyal frekuensi radio menggunakan teknologi gelombang akustik, bukan elektronik berbasis transistor, dalam satu chip, dengan cara yang kompatibel dengan manufaktur mikroprosesor standar, dan publikasi terbaru membuktikannya. bahwa hal itu bisa dilakukan. Sebelumnya para peneliti berhasil membuat komponen akustik antara lain amplifier, saklar, dan lain-lain. Dengan mixer akustik yang dijelaskan dalam publikasi terbaru, mereka telah menambahkan potongan terakhir dari teka-teki.

“Sekarang, Anda dapat menunjuk ke setiap komponen dalam diagram prosesor front-end frekuensi radio dan berkata, 'Ya, saya dapat membuat semua ini dalam satu chip dengan gelombang akustik,'” kata Eichenfield. “Kami siap untuk beralih ke ranah akustik.”

Memiliki semua komponen yang diperlukan untuk membuat front-end frekuensi radio dalam satu chip dapat menyusutkan perangkat seperti telepon seluler dan gadget komunikasi nirkabel lainnya sebanyak 100 kali lipat, menurut Eichenfield.

Tim ini mencapai pembuktian prinsipnya dengan menggabungkan materials yang sangat terspesialisasi ke dalam perangkat berukuran mikroelektronika yang melaluinya mereka mengirimkan gelombang akustik. Secara khusus, mereka mengambil wafer silikon dengan lapisan tipis lithium niobate – bahan sintetis yang banyak digunakan dalam perangkat piezoelektronik dan telepon seluler – dan menambahkan lapisan ultra-tipis (tebalnya kurang dari 100 atom) dari semikonduktor yang mengandung indium gallium arsenide.

“Ketika kami menggabungkan materi-materi ini dengan cara yang tepat, kami secara eksperimental dapat mengakses rezim nonlinier fononik baru,” kata insinyur Sandia Lisa Hackett, penulis utama makalah tersebut. “Ini berarti kita mempunyai jalan ke depan untuk menciptakan teknologi berkinerja tinggi untuk mengirim dan menerima gelombang radio yang lebih kecil dari yang pernah ada.”

Dalam pengaturan ini, gelombang akustik yang bergerak melalui sistem berperilaku nonlinier ketika merambat melalui materials. Efek ini dapat digunakan untuk mengubah frekuensi dan menyandikan informasi. Pokok fotonik, efek nonlinier telah lama digunakan untuk membuat hal-hal seperti sinar laser yang tidak terlihat menjadi penunjuk laser yang terlihat, namun memanfaatkan efek nonlinier dalam fonik telah terhambat oleh keterbatasan teknologi dan materials. Misalnya, meskipun litium niobate adalah salah satu bahan fonik nonlinier yang paling dikenal, kegunaannya untuk aplikasi teknis terhambat oleh fakta bahwa bahan nonlinier tersebut sangat lemah bila digunakan sendiri.

Dengan menambahkan semikonduktor indium-gallium arsenida, kelompok Eichenfield menciptakan lingkungan di mana gelombang akustik yang merambat melalui materials mempengaruhi distribusi muatan listrik dalam movie semikonduktor indium-gallium arsenida, menyebabkan gelombang akustik bercampur dengan cara tertentu yang dapat terjadi. dikontrol, membuka sistem untuk berbagai aplikasi.

“Nonlinier efektif yang dapat dihasilkan dengan bahan-bahan ini ratusan atau bahkan ribuan kali lebih besar daripada yang mungkin terjadi sebelumnya, dan ini sungguh gila,” kata Eichenfield. “Jika Anda dapat melakukan hal yang sama untuk optik nonlinier, Anda akan merevolusi bidang ini.”

Dengan ukuran fisik yang menjadi salah satu keterbatasan mendasar dari perangkat keras pemrosesan frekuensi radio yang canggih saat ini, teknologi baru ini dapat membuka pintu bagi perangkat elektronik yang bahkan lebih mampu dibandingkan perangkat yang ada saat ini, menurut penulis. Perangkat komunikasi yang praktis tidak memakan ruang, memiliki jangkauan sinyal lebih baik, dan memiliki masa pakai baterai lebih lama, akan segera hadir.

Referensi: “Nonlinier fononik raksasa yang dimediasi elektron dalam heterostruktur semikonduktor-piezoelektrik” oleh Lisa Hackett, Matthew Koppa, Brandon Smith, Michael Miller, Steven Santillan, Scott Weatherred, Shawn Arterburn, Thomas A. Friedmann, Nils Otterstrom dan Matt Eichenfield, 3 Mei 2024, Bahan Alam.
DOI: 10.1038/s41563-024-01882-4

Studi ini didanai oleh Protection Superior Analysis Tasks Company dan Departemen Energi AS.