Materiales Fonónicos Revolucionarios Prometen Dispositivos Inalámbricos Más Pequeños y Potentes

Electronics & Sensors INSIDER

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

Una nueva clase de materiales sintéticos podría anunciar la próxima revolución de tecnologías inalámbricas, permitiendo dispositivos más pequeños, que requieran menos intensidad de señal y usen menos energía.

Fonónica: paralelos con la fotónica

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

Hito en interacciones fonónicas no lineales gigantes

En un artículo publicado en Nature Materials, investigadores de la Facultad de Ciencias Ópticas Wyant de la Universidad de Arizona y Sandia National Laboratories reportan superar un hito importante hacia aplicaciones reales basadas en fonónica. Al combinar materiales semiconductores altamente especializados y materiales piezoeléctricos no usados típicamente juntos, los investigadores pudieron generar interacciones no lineales gigantes entre fonones. Junto con innovaciones previas demostrando amplificadores para fonones usando los mismos materiales, esto abre la posibilidad de hacer dispositivos inalámbricos como smartphones u otros transmisores de datos más pequeños, eficientes y potentes.

El problema de los filtros en smartphones actuales

"La mayoría de la gente probablemente se sorprendería al oír que hay algo como 30 filtros dentro de su móvil, cuyo único trabajo es transformar ondas de radio en ondas de sonido y viceversa", dijo el autor senior del estudio, Matt Eichenfield, quien tiene un nombramiento conjunto en la Facultad de Ciencias Ópticas de UArizona y Sandia National Laboratories en Albuquerque, Nuevo México.

Parte de los procesadores front-end, estos filtros piezoeléctricos, hechos en microchips especiales, convierten entre ondas de sonido y eléctricas múltiples veces cada vez que un smartphone recibe o envía datos, dijo. Como no pueden hacerse de los mismos materiales, como silicio, que los otros chips críticamente importantes en el procesador front-end, el tamaño físico de tu dispositivo es mucho mayor del 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, dijo Eichenfield.

Fonónica no lineal: interacción entre fonones

"Normalmente, los fonones se comportan de manera completamente lineal, significando que no interactúan entre sí", dijo. "Es un poco como pasar un haz de puntero láser a través de otro; simplemente se atraviesan".

La fonónica no lineal se refiere a lo que ocurre en materiales especiales cuando los fonones pueden e interactúan entre sí, 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 causaron 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 el haz del primero cambiando de color".

Con los nuevos materiales fonónicos, los investigadores demostraron que un haz de fonones puede, de hecho, cambiar la frecuencia de otro haz. Además, mostraron que los fonones pueden manipularse de formas que solo podían realizarse con electrónica basada en transistores — hasta ahora.

Todos los componentes en un solo chip

El grupo ha estado trabajando hacia el objetivo de hacer todos los componentes necesarios para procesadores de señal de radiofrecuencia usando tecnologías de ondas acústicas en lugar de electrónica basada en transistores, en un solo chip, de forma compatible con fabricación estándar de microprocesadores — la última publicación prueba que se puede hacer. Previamente, los investigadores lograron hacer componentes acústicos incluyendo 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 front-end de radiofrecuencia y decir, 'Sí, puedo hacer todos estos en un chip con ondas acústicas'", dijo Eichenfield. "Estamos listos para pasar a hacer el conjunto completo en el dominio acústico".

Tener todos los componentes necesarios para hacer un front-end de radiofrecuencia en un solo chip podría reducir dispositivos como móviles y otros gadgets de comunicación inalámbrica hasta en un factor de 100, según Eichenfield.

Combinación de materiales clave

El equipo logró su prueba de principio tomando una oblea de silicio con una capa delgada de niobato de litio — un material sintético usado extensivamente en dispositivos piezoeléctricos y móviles — y añadió una capa ultra-delgada (menos de 100 átomos de espesor) de un semiconductor que contiene arseniuro de indio 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 hacia adelante para inventar tecnología de alto rendimiento para enviar y recibir ondas de radio que es más pequeña de lo que nunca ha sido posible".

En esta configuración, las ondas acústicas moviéndose a través del sistema se comportan de manera no lineal cuando viajan a través de los materiales. Este efecto puede usarse para cambiar frecuencias y codificar información. Un elemento básico de la fotónica, efectos no lineales se han usado largo tiempo para hacer cosas como luz láser invisible en punteros láser visibles, pero aprovechar efectos no lineales en fonónica ha sido obstaculizado por limitaciones en tecnología y materiales. Por ejemplo, mientras el niobato de litio es uno de los materiales fonónicos no lineales más conocidos, su utilidad para aplicaciones técnicas se ve obstaculizada por el hecho de que esas no linealidades son muy débiles cuando se usa solo.

Al añadir el semiconductor de arseniuro de indio-galio, el grupo de Eichenfield creó un entorno en el que las ondas acústicas viajando a través del material influyen en la distribución de cargas eléctricas en la película del semiconductor de arseniuro de indio-galio, causando que las ondas acústicas se mezclen de formas específicas que pueden controlarse, abriendo el sistema a diversas aplicaciones.

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

Con el tamaño físico siendo una de las limitaciones fundamentales del hardware actual de procesamiento de radiofrecuencia de vanguardia, la nueva tecnología podría abrir la puerta a dispositivos electrónicos aún más capaces que sus contrapartes actuales, según los autores. Dispositivos de comunicación que ocupan virtualmente ningún espacio, tienen mejor cobertura de señal y mayor duración de batería, están en el horizonte.

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