Se os fones de ouvido podem fazer tudo o que você já faz com o seu smartphone, que tal fazer mais? Isso parece um pouco ficção científica, mas pode não estar tão longe assim. Uma nova classe de materiais sintéticos poderá inaugurar a próxima revolução na tecnologia sem fios, permitindo que os dispositivos se tornem mais pequenos, exijam menos intensidade de sinal e consumam menos energia.
A chave para esses avanços está no que os especialistas chamam de fonônica, algo semelhante à fotônica. Ambos utilizam leis semelhantes da física e oferecem novas maneiras de avançar a tecnologia. A fotônica usa fótons, ou luz, enquanto a fonônica faz a mesma coisa que os fônons. Os fônons são partículas físicas que transmitem vibrações mecânicas através da matéria, semelhantes ao som, mas em frequências altas demais para serem ouvidas.
Em um artigo publicado na Nature Materials, pesquisadores do Wyant College of Photonic Sciences da Universidade do Arizona e do Sandia National Laboratories relatam um marco importante em direção a aplicações no mundo real baseadas em fonônica. Ao combinar materiais semicondutores altamente especializados com materiais piezoelétricos que normalmente não são usados juntos, os pesquisadores conseguiram gerar interações não lineares massivas entre fônons. Juntamente com inovações anteriores que demonstraram amplificadores para fônons usando os mesmos materiais, isso abre a possibilidade de tornar dispositivos sem fio, como smartphones e outros transmissores de dados, menores, mais eficientes e mais poderosos.
“A maioria das pessoas ficaria surpresa ao saber que existem cerca de 30 filtros em um telefone celular cuja única função é converter ondas de rádio em ondas sonoras e vice-versa”, disse o estudo Matt Eikenfield, autor sênior e co-autor. no Arizona College of Photonic Sciences e no Sandia National Laboratories em Albuquerque, Novo México.
Esses filtros piezoelétricos, parte do que é conhecido como processador front-end, são construídos em microchips especiais e são necessários para converter ondas sonoras e de rádio várias vezes cada vez que um smartphone envia ou recebe dados, disse ele. Eles não podem ser feitos do mesmo material (como silício) que outros chips críticos em processadores front-end, tornando o tamanho físico do dispositivo maior do que o necessário e, no processo, disse Eikenfield. e as ondas sonoras causam perdas, que se acumulam e degradam o desempenho.
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“Normalmente, os fônons se comportam de forma completamente linear, o que significa que não interagem”, diz ele. “É como direcionar um feixe de ponteiro laser para outro feixe de ponteiro laser. Eles simplesmente passam um pelo outro.”
A fonônica não linear refere-se ao que acontece em materiais especiais quando os fônons podem interagir e interagem, disse Eichenfield. Em seu artigo, os pesquisadores demonstraram o que ele chamou de “não-linearidade fonônica gigante”. O material sintético criado pelos pesquisadores produziu interações muito mais fortes entre os fônons do que qualquer material convencional.
“Para usar uma analogia com um ponteiro laser, é como alterar a frequência dos fótons no primeiro ponteiro laser quando você liga o segundo ponteiro laser”, disse ele. “Como resultado, você verá o primeiro feixe mudar de cor.”
Usando um novo material fonônico, os pesquisadores demonstraram que um feixe de fônons pode realmente alterar a frequência de outro feixe. Além disso, eles mostraram que os fônons podem ser manipulados de maneiras que antes só eram possíveis com a eletrônica baseada em transistores.
O grupo cria todos os componentes necessários para um processador de sinal de radiofrequência em um único chip, usando tecnologia sônica em vez de eletrônica baseada em transistores, de maneira compatível com a fabricação padrão de microprocessadores. Temos trabalhado para atingir esse objetivo e nossa última publicação é uma prova disso. por essa. Isso significa que isso pode ser feito. Os pesquisadores já conseguiram produzir componentes de áudio, incluindo amplificadores e interruptores. A última peça do quebra-cabeça foi adicionada com o mixer acústico descrito na última publicação.
“Agora podemos apontar todos os componentes em um diagrama de um processador front-end de radiofrequência e dizer: 'Ah, podemos fazer tudo isso em um chip usando ondas sonoras'”, disse Eichenfield. “Estamos prontos para criar uma coisa completa no reino acústico.”
Eichenfield disse que dispositivos como telefones celulares e outros equipamentos de comunicação sem fio poderiam ser feitos até 100 vezes menores, colocando todos os componentes necessários para criar um front-end de radiofrequência em um único chip.
Os pesquisadores conseguiram uma prova de princípio ao combinar materiais altamente especializados em um dispositivo de tamanho microeletrônico e transmitir ondas sonoras para ele. Especificamente, um wafer de silício com uma fina camada de niobato de lítio, um material sintético amplamente utilizado em dispositivos piezoelétricos e telefones celulares, é revestido com uma camada ultrafina (menos de 100 átomos de espessura) de um semicondutor contendo arseneto de índio e gálio.
“Ao combinar estes materiais da maneira certa, fomos capazes de acessar experimentalmente um novo domínio de não-linearidade sonora”, disse a engenheira da Sandia, Lisa Hackett, autora principal do artigo. “Isso significa que estamos agora no caminho de inventar técnicas de alto desempenho para transmitir e receber ondas de rádio em pequena escala, o que antes era impossível.”
Nesta configuração, as ondas sonoras que viajam através do sistema comportam-se de forma não linear à medida que passam através do material. Você pode usar este efeito para alterar frequências ou codificar informações. Os efeitos não lineares, um elemento básico da fotônica, têm sido usados há anos para transformar coisas como a luz laser invisível em ponteiros laser visíveis, mas seu uso na fonônica tem sido dificultado por limitações tecnológicas e materiais. Por exemplo, o niobato de lítio é um dos materiais fonónicos mais não lineares conhecidos, mas quando usado sozinho a sua não linearidade é muito fraca, dificultando a sua utilidade em aplicações tecnológicas.
O grupo de Eichenfield usa semicondutores de arsenieto de índio e gálio para criar um ambiente no qual as ondas sonoras que passam pelo material afetam a distribuição de carga adicionada ao filme semicondutor de arsenieto de índio e gálio e misturam as ondas sonoras de uma maneira específica e controlável. , abrindo o sistema para uma variedade de aplicações.
“A não linearidade efetiva que pode ser gerada nesses materiais é centenas ou até milhares de vezes maior do que era possível anteriormente. Isso é incrível”, disse Eikenfield. “Se pudéssemos fazer a mesma coisa com a óptica não linear, isso revolucionaria o campo.”
Segundo os autores, o tamanho físico é uma das limitações fundamentais do hardware de processamento de alta frequência de última geração, e a nova tecnologia abre a porta para eletrônicos ainda mais capazes do que seus equivalentes atuais. que ele irá abrir. Dispositivos de comunicação que praticamente não ocupam espaço, têm melhor cobertura de sinal e maior duração da bateria estão no horizonte.
referência: Hackett L, Koppa M, Smith B et al. Não linearidade fonônica gigante mediada por elétrons em heteroestruturas piezoelétricas semicondutoras. medidor de porca. 2024.Doi: 10.1038/s41563-024-01882-4
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