Инженерам удалось воссоздать нечто похожее на землетрясения, но в масштабах микрочипа. Эти почти неуловимые колебания возникают прямо на поверхности полупроводников и могут повлиять на будущее мобильной электроники. Технология обещает сделать устройства компактнее, быстрее и экономичнее. Об этом сообщает журнал Nature.
Группа инженеров разработала способ генерировать крайне слабые вибрации, которые по своей природе напоминают сейсмические волны. Речь идёт не о разрушительных процессах, а о строго контролируемых колебаниях на поверхности микроскопических структур. В основе технологии лежит эффект поверхностных акустических волн, или SAW. В отличие от обычного звука, такие волны распространяются не в толще материала, а исключительно по его поверхности. Аналогичные процессы происходят и во время настоящих землетрясений, когда энергия распространяется вдоль верхних слоёв земной коры.
Несмотря на сложное название, поверхностные акустические волны давно стали частью повседневной электроники. Они используются в радиомодулях смартфонов, GPS-приёмниках, автомобильных ключах и системах беспроводной связи. В телефонах такие элементы работают как высокоточные фильтры. Принятый сигнал сначала преобразуется в механические колебания, затем очищается от шумов и помех и возвращается в радиочастотную форму. Именно от этой стадии зависит стабильность связи и энергопотребление устройств, наравне с тем, как со временем изнашиваются аккумуляторы смартфонов.
"Устройства SAWs имеют решающее значение для многих важнейших технологий в мире”, — сказал старший автор нового исследования и заведующий кафедрой квантовой инженерии Айхенфилд.
Команда под руководством Мэтта Эйхенфилда из Колорадского университета в Боулдере предложила принципиально иной подход к созданию таких волн — с помощью фононного лазера. По своей логике он напоминает диодный лазер, но вместо света усиливает механические вибрации. Ключевое отличие разработки в том, что она работает на одном чипе и не требует сложных внешних компонентов. Это упрощает архитектуру радиомодулей и открывает путь к более компактным устройствам, где каждая функция интегрирована напрямую в кристалл.
"Представьте, что это почти как волны от землетрясения, только на поверхности небольшого чипа", — сказал аспирант Александр Вендт из Аризонского университета.
Устройство представляет собой многослойную структуру длиной около полумиллиметра. В её основе — кремниевая подложка, поверх которой размещён слой ниобата лития, обладающего пьезоэлектрическими свойствами. Этот материал способен преобразовывать электрические сигналы в механические колебания и обратно. Верхний слой выполнен из арсенида индия-галлия, где электроны под действием слабого поля разгоняются до высоких скоростей. Такое сочетание позволяет вибрациям напрямую взаимодействовать с электронным потоком и постепенно усиливаться без внешних генераторов.
При подаче тока возникающие волны многократно отражаются внутри структуры, накапливая энергию по принципу резонатора. Часть колебаний при этом выводится наружу, подобно лазерному лучу. Экспериментально исследователи достигли частоты около одного гигагерца, но считают, что технология способна работать и на десятках гигагерц. Это существенно превосходит возможности традиционных SAW-устройств, которые редко выходят за пределы четырёх гигагерц.
По словам Эйхенфилда, новая технология может приблизить создание полностью интегрированных радиосистем. Сегодня смартфоны используют несколько микросхем для обработки сигнала, что увеличивает размеры и потери энергии. Переход к единому чипу упрощает конструкцию и снижает нагрузку на компоненты, подобно тому как точные формулировки в технологиях помогают избежать ошибок восприятия, о чём ранее говорилось в контексте языка и искусственного интеллекта. В перспективе это может изменить принципы проектирования мобильных устройств и другой беспроводной электроники.