Os engenheiros acabaram de criar um “laser fonon” que pode encolher seu próximo smartphone

A inovação está centrada em um dispositivo chamado laser fônon de ondas acústicas de superfície. A tecnologia poderá eventualmente permitir chips mais avançados para smartphones e outros dispositivos eletrônicos sem fio, ajudando a torná-los menores, mais rápidos e mais eficientes em termos energéticos.

A pesquisa foi liderada por Matt Eichenfield, um novo membro do corpo docente da Universidade do Colorado Boulder, juntamente com cientistas da Universidade do Arizona e dos Laboratórios Nacionais Sandia. Suas descobertas foram publicadas em 14 de janeiro na revista Natureza.

O que são ondas acústicas de superfície?

O novo dispositivo depende de ondas acústicas de superfície, comumente conhecidas como SAWs. Essas ondas se comportam como ondas sonoras, mas em vez de viajarem pelo ar ou nas profundezas de um material, elas se movem apenas ao longo de sua superfície.

Grandes terremotos produzem naturalmente ondas acústicas superficiais poderosas que ondulam pela crosta terrestre, abalando edifícios e causando danos. Numa escala muito menor, os SAWs já são essenciais para a tecnologia moderna.

“Os dispositivos SAWs são essenciais para muitas das tecnologias mais importantes do mundo”, disse Eichenfield, autor sênior do novo estudo e presidente dotado de Gustafson em Engenharia Quântica na CU Boulder. “Eles estão em todos os telefones celulares modernos, chaveiros, abridores de portas de garagem, na maioria dos receptores GPS, em muitos sistemas de radar e muito mais.”

Como os SAWs já alimentam os smartphones

Dentro de um smartphone, os SAWs funcionam como filtros altamente precisos. Os sinais de rádio que chegam de uma torre de celular são primeiro convertidos em minúsculas vibrações mecânicas. Isso permite que os chips separem sinais úteis de interferência e ruído de fundo. As vibrações limpas são então convertidas novamente em ondas de rádio.

Neste estudo, Eichenfield e seus colegas introduziram uma nova maneira de gerar essas ondas de superfície usando o que chamam de laser de fônons. Ao contrário de um apontador laser típico que emite luz, este dispositivo produz vibrações controladas.

“Pense nisso quase como as ondas de um terremoto, apenas na superfície de um pequeno chip”, disse Alexander Wendt, estudante de graduação da Universidade do Arizona e principal autor do estudo.

A maioria dos sistemas SAW existentes requerem dois chips separados e uma fonte de alimentação externa. O novo design combina tudo em um único chip e pode operar usando apenas uma bateria enquanto atinge frequências muito mais altas.

Um laser construído para vibrações

Para entender o novo dispositivo, é útil começar explicando como funcionam os lasers convencionais.

Muitos lasers comuns são lasers de diodo, que criam luz refletindo-a entre dois pequenos espelhos em um chip semicondutor. À medida que a luz reflete para frente e para trás, ela interage com átomos energizados por uma corrente elétrica. Esses átomos liberam luz adicional, fortalecendo o feixe.

“Os lasers de diodo são a base da maioria das tecnologias ópticas porque podem ser operados apenas com uma bateria ou uma simples fonte de tensão, em vez de precisar de mais luz para criar o laser, como muitos tipos anteriores de lasers”, disse Eichenfield. “Queríamos fazer um análogo desse tipo de laser, mas para SAWs.”

Para conseguir isso, a equipe construiu um dispositivo em forma de barra com cerca de meio milímetro de comprimento.

Uma pilha de materiais especializados

O dispositivo consiste em vários materiais em camadas. Na sua base está o silício, o mesmo material usado na maioria dos chips de computador. Acima disso fica uma fina camada de niobato de lítio, um material piezoelétrico. Quando o niobato de lítio vibra, ele produz campos elétricos oscilantes, e esses campos elétricos também podem desencadear vibrações.

A camada final é uma folha extremamente fina de arsenieto de índio e gálio. Este material possui propriedades eletrônicas incomuns e pode acelerar elétrons a velocidades muito altas, mesmo sob campos elétricos fracos.

Juntas, essas camadas permitem que as vibrações que viajam ao longo da superfície do niobato de lítio interajam diretamente com os elétrons que se movem rapidamente no arsenieto de índio e gálio.

Fazendo ondas crescerem como um laser

Os pesquisadores descrevem o dispositivo como funcionando de forma semelhante a uma piscina de ondas.

Quando a corrente elétrica flui através do arseneto de índio e gálio, ondas superficiais se formam na camada de niobato de lítio. Essas ondas viajam para frente, atingem um refletor e depois se movem para trás, como a luz refletida entre espelhos em um laser. Cada passagem para frente fortalece a onda, enquanto cada passagem para trás a enfraquece.

“Ele perde quase 99% de sua potência quando está se movendo para trás, então nós o projetamos para obter uma quantidade substancial de ganho avançando para vencer isso”, disse Wendt.

Após passagens repetidas, as vibrações ficam fortes o suficiente para que uma parte escape de um lado do dispositivo, semelhante à forma como a luz do laser eventualmente sai de sua cavidade.

Ondas mais rápidas, dispositivos menores

Usando esta abordagem, a equipe gerou ondas acústicas de superfície vibrando a cerca de 1 gigahertz, o que significa bilhões de oscilações por segundo. Os pesquisadores acreditam que o mesmo design poderia ser expandido para dezenas ou até centenas de gigahertz.

Os dispositivos SAW tradicionais normalmente atingem o máximo em torno de 4 gigahertz, tornando o novo sistema muito mais rápido.

Eichenfield disse que o avanço pode levar a dispositivos sem fio menores, mais potentes e com maior eficiência energética.

Nos smartphones de hoje, vários chips convertem repetidamente ondas de rádio em SAWs e vice-versa sempre que os usuários enviam mensagens, fazem chamadas ou navegam na Internet. Os pesquisadores pretendem simplificar esse processo criando um único chip que lide com todo o processamento de sinal usando ondas acústicas de superfície.

“Este laser fônon foi o último dominó que precisávamos derrubar”, disse Eichenfield. “Agora podemos literalmente fabricar todos os componentes necessários para um rádio em um chip usando o mesmo tipo de tecnologia.”