Νέα μέθοδος προκαλεί «σεισμούς» μέσα σε τσιπάκια για πιο εξελιγμένα κινητά τηλεφώνα

Ομάδα μηχανικών από αμερικανικά πανεπιστήμια και τα Εθνικά Εργαστήρια Sandia στις ΗΠΑ ανέπτυξαν ένα τρόπο για να δημιουργούν μικροσκοπικούς σεισμούς πάνω σε ένα μικροτσίπ και αυτό θα μπορούσε να αλλάξει τον τρόπο με τον οποίο κατασκευάζονται τα smartphones.

Οι ερευνητές με δημοσίευση τους στην επιθεώρηση «Nature» μια νέα μέθοδο για τη δημιουργία εξαιρετικά μικρών δονήσεων που μοιάζουν με μικροσκοπικούς σεισμούς.

Στο επίκεντρο της έρευνας βρίσκεται μια συσκευή που

ονομάζεται λέιζερ φωνονίων επιφανειακών ακουστικών κυμάτων. Το φωνόνιο είναι το μικρότερο πακέτο ενέργειας, με μορφή κύματος, που προστίθεται ή αφαιρείται για να μορφώσει έναν ήχο που ταξιδεύει μέσα σε ένα στερεό. Στο μέλλον αυτή η τεχνολογία θα μπορούσε να υποστηρίξει την ανάπτυξη πιο προηγμένων μικροτσίπ για κινητά τηλέφωνα και άλλες ασύρματες ηλεκτρονικές συσκευές βοηθώντας να γίνουν μικρότερες, ταχύτερες και πιο ενεργειακά αποδοτικές.

Η συσκευή βασίζεται σε ένα φυσικό φαινόμενο γνωστό ως επιφανειακά ακουστικά κύματα. Τα κύματα αυτά συμπεριφέρονται παρόμοια με τα ηχητικά κύματα αλλά αντί να διαδίδονται μέσα στο υλικό, κινούνται μόνο κατά μήκος της επιφάνειάς του.

Οι δονήσεις

Κατά τη διάρκεια ενός σεισμού μεγάλα επιφανειακά ακουστικά κύματα εξαπλώνονται στην επιφάνεια της Γης προκαλώντας δονήσεις και ζημιές στις κατασκευές. Σε πολύ μικρότερη κλίμακα όμως τα επιφανειακά ακουστικά κύματα αποτελούν ήδη αναπόσπαστο μέρος της καθημερινής τεχνολογίας.

«Οι συσκευές επιφανειακών ακουστικών κυμάτων είναι κρίσιμες για πολλές από τις σημαντικότερες τεχνολογίες στον κόσμο. Βρίσκονται σε όλα τα σύγχρονα κινητά τηλέφωνα, σε τηλεχειριστήρια αυτοκινήτων, ανοιχτήρια γκαράζ, στους περισσότερους δέκτες GPS, σε πολλά ραντάρ και σε πολλά ακόμη» λέει ο Ματ Έϊκενφιλντ.

Μέσα σε ένα smartphone τα επιφανειακά ακουστικά κύματα λειτουργούν ως φίλτρα υψηλής ακρίβειας. Οι ραδιοδέκτες του τηλεφώνου λαμβάνουν σήματα από έναν σταθμό βάσης και τα μετατρέπουν σε μικροσκοπικές μηχανικές δονήσεις. Αυτές οι δονήσεις επιτρέπουν στα τσιπ να αφαιρούν ανεπιθύμητα σήματα και θόρυβο και στη συνέχεια το καθαρισμένο σήμα μετατρέπεται ξανά σε ραδιοκύματα για επικοινωνία.

Η τεχνολογία

Οι ερευνητές ανέπτυξαν έναν νέο τρόπο δημιουργίας επιφανειακών ακουστικών κυμάτων χρησιμοποιώντας ένα «λέιζερ φωνονίων». Λειτουργεί όπως ένα συνηθισμένο λέιζερ, με τη διαφορά ότι παράγει δονήσεις αντί για φως. «Σκεφτείτε το σαν τα κύματα ενός σεισμού, αλλά στην επιφάνεια ενός μικρού τσιπ» εξηγεί ο Αλεξάντερ Γουέντ μεταπτυχιακός φοιτητής στο Πανεπιστήμιο της Αριζόνα και κύριος συγγραφέας της μελέτης.

Οι περισσότερες συσκευές επιφανειακών ακουστικών κυμάτων σήμερα απαιτούν δύο διαφορετικά τσιπ και μια πηγή ενέργειας για να δημιουργήσουν αυτά τα κύματα. Αντίθετα, η νέα συσκευή της ομάδας λειτουργεί με ένα μόνο τσιπ και μπορεί δυνητικά να παράγει κύματα σε πολύ υψηλότερες συχνότητες, χρησιμοποιώντας απλώς μια μπαταρία.

Για να κατανοήσει κανείς πώς λειτουργεί η νέα συσκευή, βοηθά να σκεφτεί ένα παραδοσιακό λέιζερ. Τα περισσότερα σύγχρονα λέιζερ λειτουργούν ανακλώντας μια δέσμη φωτός ανάμεσα σε δύο μικροσκοπικούς καθρέφτες πάνω σε ένα ημιαγωγικό τσιπ. Καθώς το φως ανακλάται, αλληλεπιδρά με άτομα στο υλικό που βρίσκονται υπό ηλεκτρικό πεδίο, με αποτέλεσμα την εκπομπή ακόμη περισσότερου φωτός και την ενίσχυση της δέσμης.

Η ομάδα επιδίωξε να δημιουργήσει ένα αντίστοιχο σύστημα αλλά για επιφανειακά ακουστικά κύματα. Για τον σκοπό αυτό ανέπτυξε μια συσκευή σε σχήμα ράβδου μήκους περίπου μισού χιλιοστού.

Τα υλικά

Η συσκευή αποτελείται από μια στοίβα υλικών. Στη βάση βρίσκεται ένα υπόστρωμα πυριτίου, όπως αυτά που χρησιμοποιούνται στα περισσότερα μικροτσίπ. Πάνω του υπάρχει ένα λεπτό στρώμα νιοβικού λιθίου, ενός πιεζοηλεκτρικού υλικού που παράγει ηλεκτρικά πεδία όταν δονείται και αντίστροφα. Τέλος, υπάρχει ένα ακόμη λεπτότερο στρώμα από αρσενίδιο ινδίου και γαλλίου, ένα υλικό που επιταχύνει τα ηλεκτρόνια σε εξαιρετικά υψηλές ταχύτητες όταν εφαρμόζεται ασθενές ηλεκτρικό πεδίο. Αυτή η διάταξη επιτρέπει στις δονήσεις στην επιφάνεια του νιοβικού λιθίου να αλληλεπιδρούν άμεσα με τα ηλεκτρόνια στο αρσενίδιο ινδίου και γαλλίου.

Η συσκευή λειτουργεί σαν πισίνα κυμάτων. Όταν οι ερευνητές τροφοδοτούν τη συσκευή με ηλεκτρικό ρεύμα, σχηματίζονται κύματα στο στρώμα του νιοβικού λιθίου. Τα κύματα κινούνται μπρος πίσω, ανακλώνται και ενισχύονται, παρόμοια με το φως σε ένα λέιζερ. Μετά από αρκετές ανακλάσεις το κύμα γίνεται πολύ ισχυρό και ένα μικρό μέρος του εξέρχεται από τη συσκευή όπως ακριβώς συμβαίνει με το φως ενός λέιζερ.

 

Η ομάδα κατάφερε να δημιουργήσει επιφανειακά ακουστικά κύματα με συχνότητα περίπου 1 GHz δηλαδή δισεκατομμύρια ταλαντώσεις ανά δευτερόλεπτο. Πιστεύουν όμως ότι μπορούν εύκολα να φτάσουν σε συχνότητες δεκάδων ή ακόμη και εκατοντάδων GHz πολύ υψηλότερες από τις σημερινές συσκευές. Οι ερευνητές εκτιμούν ότι η νέα τεχνολογία θα μπορούσε να οδηγήσει σε μικρότερες, πιο αποδοτικές και χαμηλότερης κατανάλωσης ασύρματες συσκευές, όπως τα κινητά τηλέφωνα.

Από το naftemporiki