De nouveaux matériaux phononiques pourraient conduire à des appareils sans fil plus petits et plus puissants

Et si vos écouteurs pouvaient faire tout ce que votre smartphone peut déjà faire, sauf en mieux ? Ce qui ressemble un peu à de la science-fiction n’est peut-être pas si loin en réalité. Une nouvelle classe de matériaux synthétiques pourrait annoncer la prochaine révolution des technologies sans fil, permettant aux appareils d’être plus petits, de nécessiter moins de puissance de signal et de consommer moins d’énergie.

La clé de ces avancées réside dans ce que les experts appellent la phononique, qui s’apparente à la photonique. Les deux tirent parti de lois physiques similaires et offrent de nouvelles façons de faire progresser la technologie. Alors que la photonique tire parti des photons (ou de la lumière), la phononique fait de même avec les phonons, qui sont des particules physiques qui transmettent des vibrations mécaniques à travers un matériau, semblables au son, mais à des fréquences beaucoup trop élevées pour être entendues.

Dans un papier publié dans Matériaux naturelsdes chercheurs du Wyant College of Optical Sciences de l’Université de l’Arizona et des Sandia National Laboratories rapportent avoir franchi une étape majeure vers des applications du monde réel basées sur la phononique.

En combinant des services hautement spécialisés matériaux semi-conducteurs et matériaux piézoélectriques qui ne sont généralement pas utilisés ensemble, les chercheurs ont pu générer des interactions non linéaires géantes entre les phonons. Avec les innovations précédentes démontrant des amplificateurs pour phonons utilisant les mêmes matériaux, cela ouvre la possibilité de réaliser appareils sans fil tels que les smartphones ou autres émetteurs de données plus petits, plus efficaces et plus puissants.

“La plupart des gens seraient probablement surpris d’apprendre qu’il y a environ 30 filtres à l’intérieur de leur téléphone portable dont le seul travail est de transformer les ondes radio en les ondes sonores et retour”, a déclaré l’auteur principal de l’étude, Matt Eichenfield, qui occupe un poste conjoint au UArizona College of Optical Sciences et aux Sandia National Laboratories à Albuquerque, au Nouveau-Mexique.

Faisant partie de ce que l’on appelle les processeurs frontaux, ces filtres piézoélectriques, fabriqués sur des micropuces spéciales, sont nécessaires pour convertir les ondes sonores et électroniques plusieurs fois à chaque fois qu’un smartphone reçoit ou envoie des données, a-t-il expliqué.

Parce qu’ils ne peuvent pas être fabriqués à partir des mêmes matériaux, comme le silicium, que les autres puces d’une importance cruciale dans le processeur frontal, la taille physique de votre appareil est beaucoup plus grande qu’elle ne devrait l’être, et en cours de route, il y a des pertes dues aux allers-retours entre les ondes radio et les ondes sonores qui s’additionnent et dégradent les performances, a déclaré Eichenfield.

“Normalement, les phonons se comportent de manière complètement linéaire, ce qui signifie qu’ils n’interagissent pas les uns avec les autres”, a-t-il expliqué. “C’est un peu comme faire passer un faisceau de pointeur laser à travers un autre ; ils se croisent simplement.”

La phononique non linéaire fait référence à ce qui se passe dans des matériaux spéciaux lorsque les phonons peuvent interagir et interagissent les uns avec les autres, a déclaré Eichenfield. Dans cet article, les chercheurs ont démontré ce qu’il appelle des « non-linéarités phononiques géantes ». Les matériaux synthétiques produits par l’équipe de recherche ont amené les phonons à interagir les uns avec les autres beaucoup plus fortement que dans n’importe quel matériau conventionnel.

“Dans l’analogie avec le pointeur laser, cela reviendrait à changer la fréquence des photons du premier pointeur laser lorsque vous allumez le second”, a-t-il déclaré. “En conséquence, vous verriez le faisceau du premier changer de couleur.”

Avec les nouveaux matériaux phononiques, les chercheurs ont démontré qu’un faisceau de phonons peut en fait modifier la fréquence d’un autre faisceau. De plus, ils ont montré que les phonons peuvent être manipulés d’une manière qui ne pouvait être réalisée qu’avec une électronique à base de transistors, jusqu’à présent.

Le groupe a travaillé pour atteindre l’objectif de fabriquer tous les composants nécessaires aux processeurs de signaux radiofréquences en utilisant des technologies d’ondes acoustiques plutôt que des composants électroniques à base de transistors. puce unique, d’une manière compatible avec la fabrication standard de microprocesseurs, et la dernière publication prouve que cela est possible. Auparavant, les chercheurs avaient réussi à fabriquer des composants acoustiques, notamment des amplificateurs, des commutateurs et autres. Avec les mélangeurs acoustiques décrits dans la dernière publication, ils ont ajouté la dernière pièce du puzzle.

“Maintenant, vous pouvez pointer chaque composant dans un schéma d’un processeur frontal radiofréquence et dire : ‘Oui, je peux réaliser tout cela sur une seule puce avec des ondes acoustiques'”, a déclaré Eichenfield. “Nous sommes prêts à passer à tout cela dans le domaine acoustique.”

Selon Eichenfield, disposer de tous les composants nécessaires pour créer un frontal radiofréquence sur une seule puce pourrait réduire la taille des appareils tels que les téléphones portables et autres gadgets de communication sans fil jusqu’à un facteur 100.

L’équipe a réalisé sa preuve de principe en combinant des matériaux hautement spécialisés dans des dispositifs de taille microélectronique à travers lesquels ils ont envoyé des ondes acoustiques. Plus précisément, ils ont pris une plaquette de silicium avec une fine couche de niobate de lithium – un matériau synthétique largement utilisé dans les appareils piézoélectroniques et les téléphones portables – et ont ajouté une couche ultra-mince (moins de 100 atomes d’épaisseur) d’un semi-conducteur contenant arséniure d’indium et de gallium.

“Lorsque nous avons combiné ces matériaux de la bonne manière, nous avons pu accéder expérimentalement à un nouveau régime de non-linéarité phononique”, a déclaré Lisa Hackett, ingénieure chez Sandia, auteure principale de l’article. “Cela signifie que nous avons une voie à suivre pour inventer une technologie haute performance pour l’envoi et la réception les ondes radio c’est plus petit que ce qui a jamais été possible.

Dans cette configuration, les ondes acoustiques se déplaçant dans le système se comportent de manière non linéaire lorsqu’elles traversent les matériaux. Cet effet peut être utilisé pour modifier les fréquences et coder des informations. Élément essentiel de la photonique, les effets non linéaires ont longtemps été utilisés pour transformer des éléments tels que la lumière laser invisible en pointeurs laser visibles, mais l’exploitation des effets non linéaires en phononique a été entravée par les limitations de la technologie et des matériaux. Par exemple, bien que le niobate de lithium soit l’un des matériaux phononiques les plus non linéaires connus, son utilité pour les applications techniques est entravée par le fait que ces non-linéarités sont très faibles lorsqu’elles sont utilisées seules.

En ajoutant le semi-conducteur à l’arséniure d’indium et de gallium, le groupe d’Eichenfield a créé un environnement dans lequel les ondes acoustiques traversant le matériau influencent la répartition des charges électriques dans le film semi-conducteur à l’arséniure d’indium et de gallium, provoquant le mélange des ondes acoustiques de manière spécifique qui peut être contrôlée. , ouvrant le système à diverses applications.

“La non-linéarité effective que vous pouvez générer avec ces matériaux est des centaines, voire des milliers de fois plus grande que ce qui était possible auparavant, ce qui est fou”, a déclaré Eichenfield. “Si vous pouviez faire la même chose pour l’optique non linéaire, vous révolutionneriez le domaine.”

La taille physique étant l’une des limites fondamentales du matériel de traitement radiofréquence de pointe actuel, la nouvelle technologie pourrait ouvrir la porte à des appareils électroniques encore plus performants que leurs homologues actuels, selon les auteurs. Des appareils de communication qui ne prennent pratiquement pas de place, offrent une meilleure couverture du signal et une durée de vie de la batterie plus longue se profilent à l’horizon.