Wibracje na powierzchni krzemu
Cała koncepcja opiera się na zjawisku znanym jako powierzchniowe fale akustyczne (SAW). W uproszczeniu, są to drgania mechaniczne, które przemieszczają się wyłącznie wzdłuż powierzchni materiału, podobnie jak fale sejsmiczne po skorupie ziemskiej, tyle że w mikroskali. Urządzenia wykorzystujące SAW są dziś wszechobecne. Stanowią serce filtrów radiowych w praktycznie każdym smartfonie, kluczach pilotach czy odbiornikach GPS. Ich zadanie polega na przekształcaniu sygnału elektromagnetycznego w precyzyjne wibracje mechaniczne, które pozwalają oczyścić go z szumów. Matt Eichenfield, związany z University of Colorado Boulder, podkreśla ich kluczową rolę:
Urządzenia SAW są kluczowe dla wielu najważniejszych technologii na świecie. Znajdują się we wszystkich nowoczesnych telefonach komórkowych, pilotach do kluczy, otwieraczach do bram garażowych, większości odbiorników GPS, wielu systemach radarowych i innych
Dotychczasowe rozwiązania miały istotną wadę – wymagały użycia dwóch oddzielnych chipów oraz zewnętrznego źródła zasilania do generowania fal. Nowy laser fononowy, opracowany przez zespół amerykańskich uczelni i laboratoriów, radykalnie upraszcza tę architekturę. Całe urządzenie ma kształt pręta o długości około pół milimetra, a jego powierzchnia jest mniejsza niż 0,15 milimetra kwadratowego. Konstrukcja wykorzystuje płytkę krzemową, na której osadzono cienką warstwę niobianu litu, czyli materiału piezoelektrycznego, który zamienia wibracje na pole elektryczne i odwrotnie. Na wierzchu znajduje się arsenek indu i galu, zdolny do przyspieszania elektronów. Kluczem do działania jest celowa asymetria projektu. Urządzenie jest zaprojektowane tak, aby tracić prawie całą moc przy ruchu wstecznym, ale znacząco ją wzmacniać przy ruchu do przodu, co umożliwia efektywne generowanie fal.
Wyższe częstotliwości, mniejsze zużycie energii
Pod względem technicznym nowy laser prezentuje się imponująco. Generuje fale SAW o częstotliwości około 1 GHz, czyli miliarda drgań na sekundę. Co istotne, twórcy podkreślają, iż częstotliwość tę można teoretycznie zwiększyć nawet do setek GHz. Dla porównania, tradycyjne filtry SAW w smartfonach osiągają zazwyczaj maksymalnie około 4 GHz. Eichenfield przyznaje, że inspiracją dla jego zespołu były powszechne lasery diodowe, które mogą być zasilane bezpośrednio z baterii. Postanowili stworzyć ich odpowiednik w świecie fal akustycznych. Szczegóły techniczne, takie jak szerokość linii widmowej poniżej 77 Hz czy niski szum fazowy, wyglądają obiecująco na papierze. Prawdziwym testem będzie jednak ich powtarzalność oraz stabilność w warunkach masowej produkcji.
Czytaj też: Światło w kształcie pączka uratuje Wi-Fi? Nowa fizyka obiecuje koniec z gubieniem zasięgu
Najbardziej śmiała obietnica tej technologii to integracja wszystkich funkcji radia na pojedynczym krzemowym chipie. Obecnie, za każdym razem gdy dzwonisz lub łączysz się z internetem, sygnał jest wielokrotnie konwertowany między falami radiowymi a falami SAW przez różne, osobne komponenty. Laser fononowy ma być brakującym elementem, który pozwoli przeprowadzić całe to przetwarzanie, używając wyłącznie powierzchniowych fal akustycznych w ramach jednego układu. Potencjalne korzyści wykraczają poza branżę smartfonów. Naukowcy widzą zastosowania w czujnikach chemicznych, systemach mikrofluidycznych czy nawet w fononice kwantowej. Dla przeciętnego użytkownika mogłoby to oznaczać telefony cieńsze, lżejsze i oferujące dłuższy czas pracy na baterii.