Los materiales fonónicos revolucionarios prometen dispositivos inalámbricos más pequeños y potentes

Electrónica y sensores INSIDER

En el laboratorio de Matt Eichenfield en Sandia National Laboratories, él y su equipo utilizan múltiples frecuencias de microondas para caracterizar un dispositivo de mezcla fonónica no lineal que construyeron sobre una oblea de silicio. (Imagen:Bret Latter/Laboratorios Nacionales Sandia)

Una nueva clase de materiales sintéticos podría presagiar la próxima revolución de las tecnologías inalámbricas, permitiendo que los dispositivos sean más pequeños, requieran menos intensidad de señal y utilicen menos energía.

La clave de estos avances está en la fonónica, que es similar a la fotónica. Ambos aprovechan leyes físicas similares y ofrecen nuevas formas de avanzar en la tecnología. Mientras que la fotónica aprovecha los fotones, la fonónica hace lo mismo con los fonones, que son las partículas físicas que transmiten vibraciones mecánicas a través de un material, similar al sonido, pero en frecuencias demasiado altas para escucharlas.

En un artículo publicado en Nature Materials , investigadores de la Facultad de Ciencias Ópticas Wyant de la Universidad de Arizona y los Laboratorios Nacionales Sandia informan que han logrado un hito importante hacia las aplicaciones del mundo real basadas en la fonónica. Al combinar materiales semiconductores altamente especializados y materiales piezoeléctricos que normalmente no se usan juntos, los investigadores pudieron generar interacciones no lineales gigantes entre fonones. Junto con innovaciones anteriores que demuestran amplificadores para fonones que utilizan los mismos materiales, esto abre la posibilidad de hacer dispositivos inalámbricos como teléfonos inteligentes u otros transmisores de datos más pequeños, más eficientes y más potentes.

"La mayoría de la gente probablemente se sorprendería al escuchar que hay algo así como 30 filtros dentro de su teléfono celular, cuyo único trabajo es transformar las ondas de radio en ondas sonoras y viceversa", dijo el autor principal del estudio, Matt Eichenfield, quien ocupa un cargo conjunto en la Facultad de Ciencias Ópticas de la Universidad de Arizona y los Laboratorios Nacionales Sandia en Albuquerque, Nuevo México.

Parte de los procesadores frontales, estos filtros piezoeléctricos, fabricados en microchips especiales, convierten entre ondas sonoras y eléctricas varias veces cada vez que un teléfono inteligente recibe o envía datos, dijo. Debido a que estos no pueden estar hechos de los mismos materiales, como el silicio, que los otros chips de importancia crítica en el procesador frontal, el tamaño físico de su dispositivo es mucho mayor de lo necesario y, en el camino, hay pérdidas al ir y venir entre ondas de radio y ondas de sonido que se suman y degradan el rendimiento, afirmó Eichenfield.

"Normalmente, los fonones se comportan de forma completamente lineal, lo que significa que no interactúan entre sí", dijo. "Es un poco como hacer pasar un rayo láser a través de otro; simplemente se atraviesan el uno al otro".

La fonónica no lineal se refiere a lo que sucede en materiales especiales cuando los fonones pueden interactuar entre sí, y lo hacen, dijo Eichenfield. En el artículo, los investigadores demostraron lo que él llama "no linealidades fonónicas gigantes". Los materiales sintéticos producidos por el equipo de investigación hicieron que los fonones interactuaran entre sí mucho más fuertemente que en cualquier material convencional.

"En la analogía del puntero láser, esto sería como cambiar la frecuencia de los fotones en el primer puntero láser cuando enciendes el segundo", dijo. "Como resultado, verías que el rayo del primero cambia de color".

Con los nuevos materiales fonónicos, los investigadores demostraron que un haz de fonones puede, de hecho, cambiar la frecuencia de otro haz. Es más, demostraron que los fonones se pueden manipular de maneras que hasta ahora sólo podían lograrse con electrónica basada en transistores.

El grupo ha estado trabajando con el objetivo de fabricar todos los componentes necesarios para los procesadores de señales de radiofrecuencia utilizando tecnologías de ondas acústicas en lugar de electrónica basada en transistores, en un solo chip, de una manera que sea compatible con la fabricación de microprocesadores estándar; la última publicación demuestra que es posible. Anteriormente, los investigadores lograron fabricar componentes acústicos, incluidos amplificadores e interruptores. Con los mezcladores acústicos descritos en la última publicación, han añadido la última pieza del rompecabezas.

"Ahora, puedes señalar cada componente en un diagrama de un procesador frontal de radiofrecuencia y decir:'Sí, puedo hacerlos todos en un chip con ondas acústicas'", dijo Eichenfield. "Estamos listos para pasar a hacer todo el asunto en el ámbito acústico".

Tener todos los componentes necesarios para crear una interfaz de radiofrecuencia en un solo chip podría reducir el tamaño de dispositivos como teléfonos móviles y otros dispositivos de comunicación inalámbrica hasta en un factor de 100, según Eichenfield.

El equipo logró su prueba de principio tomando una oblea de silicio con una fina capa de niobato de litio (un material sintético utilizado ampliamente en dispositivos piezoeléctricos y teléfonos móviles) y añadió una capa ultrafina (menos de 100 átomos de espesor) de un semiconductor que contiene arseniuro de indio y galio.

"Cuando combinamos estos materiales de la manera correcta, pudimos acceder a un nuevo régimen de no linealidad fonónica", dijo la ingeniera de Sandia Lisa Hackett, autora principal del artículo. "Esto significa que tenemos un camino a seguir para inventar tecnología de alto rendimiento para enviar y recibir ondas de radio más pequeñas de lo que jamás haya sido posible".

En esta configuración, las ondas acústicas que se mueven a través del sistema se comportan de manera no lineal cuando viajan a través de los materiales. Este efecto se puede utilizar para cambiar frecuencias y codificar información. Los efectos no lineales, un elemento básico de la fotónica, se han utilizado durante mucho tiempo para convertir cosas como la luz láser invisible en punteros láser visibles, pero aprovechar los efectos no lineales en la fonónica se ha visto obstaculizado por limitaciones en la tecnología y los materiales. Por ejemplo, si bien el niobato de litio es uno de los materiales fonónicos más no lineales conocidos, su utilidad para aplicaciones técnicas se ve obstaculizada por el hecho de que esas no linealidades son muy débiles cuando se usan por sí solas.

Al agregar el semiconductor de arseniuro de indio y galio, el grupo de Eichenfield creó un entorno en el que las ondas acústicas que viajan a través del material influyen en la distribución de cargas eléctricas en la película semiconductora de arseniuro de indio y galio, lo que hace que las ondas acústicas se mezclen de maneras específicas que pueden controlarse, abriendo el sistema a diversas aplicaciones.

"La no linealidad efectiva que se puede generar con estos materiales es cientos o incluso miles de veces mayor de lo que era posible antes, lo cual es una locura", dijo Eichenfield. "Si pudieras hacer lo mismo con la óptica no lineal, revolucionarías este campo."

Dado que el tamaño físico es una de las limitaciones fundamentales del hardware de procesamiento de radiofrecuencia actual y de última generación, la nueva tecnología podría abrir la puerta a dispositivos electrónicos que son incluso más capaces que sus homólogos actuales, según los autores. En el horizonte se vislumbran dispositivos de comunicación que prácticamente no ocupan espacio, tienen mejor cobertura de señal y mayor duración de la batería.

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