Publié le 14 janvier 2025 19h32. Des ingénieurs ont franchi une étape importante dans la maîtrise des ondes acoustiques de surface, ouvrant la voie à des composants électroniques plus petits, plus rapides et plus économes en énergie pour les appareils sans fil.
- Une nouvelle technologie, le « laser à phonons », permet de générer des ondes acoustiques de surface avec une efficacité accrue.
- Ce dispositif pourrait révolutionner la conception des puces utilisées dans les smartphones, les systèmes GPS et d’autres technologies.
- L’étude, menée par des chercheurs de l’Université du Colorado à Boulder, de l’Université de l’Arizona et des Sandia National Laboratories, a été publiée dans la revue Nature.
Des chercheurs ont mis au point un dispositif innovant capable de générer les plus petites ondes acoustiques de surface (OAS) imaginables. Cette avancée technologique, baptisée « laser à phonons », pourrait avoir des conséquences majeures sur l’avenir de l’électronique, en permettant la création de puces plus performantes et miniaturisées pour les téléphones portables et autres appareils sans fil.
L’équipe, dirigée par Matt Eichenfield, nouveau professeur à l’Université du Colorado à Boulder, s’est appuyée sur le phénomène des ondes acoustiques de surface (OAS). Ces ondes, similaires aux ondes sonores, se propagent uniquement à la surface d’un matériau. Les tremblements de terre, par exemple, génèrent de vastes OAS qui se propagent à la surface de la Terre, provoquant des secousses et des dégâts. Cependant, des OAS beaucoup plus petites jouent déjà un rôle crucial dans de nombreuses technologies modernes.
« Les dispositifs OAS sont essentiels à la plupart des technologies les plus importantes au monde. On les retrouve dans tous les téléphones portables modernes, les porte-clés, les ouvre-portes de garage, la plupart des récepteurs GPS, de nombreux systèmes radar et bien plus encore. »
Matt Eichenfield, auteur principal de l’étude et titulaire de la chaire Gustafson en ingénierie quantique à CU Boulder
Dans un smartphone, les OAS agissent comme de minuscules filtres. Les radios du téléphone reçoivent des ondes radio provenant d’une antenne et les convertissent en vibrations, permettant ainsi aux puces de supprimer les signaux et le bruit indésirables. Le dispositif inverse ensuite le processus, transformant ces vibrations en ondes radio pour la transmission.
L’étude récente décrit une nouvelle méthode de fabrication des OAS à l’aide d’un « laser à phonons ». Ce dispositif fonctionne de manière analogue à un pointeur laser classique, mais au lieu d’émettre de la lumière, il génère des vibrations. Alexander Wendt, étudiant diplômé à l’Université de l’Arizona et co-auteur de l’étude, explique :
« Pensez-y presque comme aux vagues d’un tremblement de terre, seulement à la surface d’un petit éclat. »
Alexander Wendt, étudiant diplômé à l’Université de l’Arizona
La plupart des dispositifs OAS actuels nécessitent deux puces distinctes et une source d’alimentation pour générer ces ondes. Le dispositif développé par l’équipe, en revanche, fonctionne avec une seule puce et pourrait produire des OAS à des fréquences beaucoup plus élevées, tout en étant alimenté par une simple batterie.
Un nouveau type de laser
Pour comprendre le fonctionnement de ce nouveau dispositif, il est utile de comparer avec un laser traditionnel. La plupart des lasers actuels, appelés « lasers à diode », fonctionnent en faisant rebondir un faisceau de lumière entre deux miroirs microscopiques situés sur une puce semi-conductrice. Lorsque la lumière rebondit, elle interagit avec les atomes du matériau semi-conducteur, qui sont traversés par un champ électrique provenant d’une batterie ou d’une autre source d’alimentation. Cette interaction provoque l’émission de davantage de lumière, amplifiant ainsi le faisceau.
« Les lasers à diode sont la pierre angulaire de la plupart des technologies optiques car ils peuvent fonctionner avec une simple batterie ou une simple source de tension, plutôt que d’avoir besoin de plus de lumière pour créer le laser comme beaucoup de types de lasers précédents. »
Matt Eichenfield, auteur principal de l’étude
L’équipe a cherché à créer un analogue de ce type de laser, mais pour les OAS. Pour ce faire, ils ont conçu un dispositif en forme de barre d’environ un demi-millimètre de long. Il est constitué d’une pile de matériaux : une plaquette de silicium (le même matériau que la plupart des puces informatiques), recouverte d’une fine couche de niobate de lithium. Le niobate de lithium est un matériau « piézoélectrique », ce qui signifie qu’il produit des champs électriques lorsqu’il vibre, et inversement. Enfin, le dispositif comprend une couche encore plus fine d’arséniure d’indium et de gallium, un matériau qui, lorsqu’il est soumis à un faible champ électrique, peut accélérer les électrons à des vitesses très élevées.
Cette pile permet aux vibrations à la surface du niobate de lithium d’interagir directement avec les électrons de l’arséniure d’indium et de gallium.
Faire la vague
Le fonctionnement du dispositif peut être comparé à une piscine à vagues. Lorsqu’un courant électrique est appliqué à l’arséniure d’indium et de gallium, des ondes se forment dans la couche de niobate de lithium. Ces ondes se propagent, frappent un réflecteur, puis reviennent, comme la lumière rebondissant entre deux miroirs dans un laser. À chaque passage, les ondes s’amplifient, puis s’affaiblissent légèrement lors du retour.
« Il perd près de 99 % de sa puissance lorsqu’il recule, nous l’avons donc conçu pour obtenir un gain substantiel en avant afin de battre cela. »
Alexander Wendt, étudiant diplômé à l’Université de l’Arizona
Après plusieurs rebonds, l’onde devient suffisamment puissante pour être émise du dispositif, de la même manière que la lumière laser s’échappe entre les miroirs. L’équipe a réussi à générer des OAS oscillant à une vitesse d’environ 1 gigahertz (un milliard de fois par seconde). Les chercheurs estiment qu’il est possible d’augmenter cette fréquence à plusieurs dizaines, voire centaines de gigahertz.
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