Os engenheiros deram um passo importante para criar os menores terremotos já criados, reduzindo as vibrações do tipo sísmico à escala de um microchip.
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.
O estudo foi liderado por Matt Eichenfield, um novo membro do corpo docente da Universidade do Colorado Boulder, juntamente com cientistas da Universidade do Arizona e do Laboratório Nacional Sandia. Seus resultados foram publicados 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 SAW. Essas ondas se comportam como ondas sonoras, mas em vez de se propagarem pelo ar ou nas profundezas de um material, elas viajam apenas ao longo de sua superfície.
Grandes terremotos criam naturalmente ondas acústicas superficiais poderosas que viajam pela crosta terrestre, sacudindo edifícios e causando danos. Numa escala muito menor, os surfactantes já são importantes para a tecnologia atual.
“Os dispositivos SAW são essenciais para muitas das tecnologias mais importantes do mundo”, disse Eichenfield, autor sênior do novo estudo e presidente 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 surfactantes já alimentam smartphones
Dentro do smartphone, os SAWs funcionam como filtros de alta precisão. Os sinais de rádio provenientes de uma torre de celular são primeiro convertidos em pequenas vibrações mecânicas. Isso permite que os ICs separem sinais úteis de interferência e ruído de fundo. As vibrações purificadas são então convertidas novamente em ondas de rádio.
Neste estudo, Eichenfeld e seus colegas apresentaram uma nova maneira de gerar essas ondas de superfície usando o que chamam de laser de fônons. Ao contrário de um apontador laser convencional 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 CIs separados e uma fonte de alimentação externa. O novo design combina tudo em um único chip e pode funcionar apenas com bateria, atingindo frequências muito mais altas.
Um laser feito para vibrar
Para entender o novo aparelho, vale 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 é refletida para frente e para trás, ela interage com os átomos, que estão conectados por uma corrente elétrica. Esses átomos emitem luz adicional, amplificando o feixe.
“Os lasers de diodo são a base da maioria das tecnologias ópticas porque podem funcionar apenas com uma bateria ou uma simples fonte de tensão, em vez de exigir mais luz para criar um laser, como muitos tipos anteriores de lasers”, disse Eichenfield. “Queríamos fazer um análogo desse laser, mas não para surfactantes”.
Para conseguir isso, a equipe construiu um dispositivo em forma de bastão com cerca de meio milímetro de comprimento.
Uma pilha de materiais especializados
O dispositivo consiste em vários materiais em camadas. É baseado em silício, o mesmo material usado na maioria dos chips de computador. Acima está uma fina camada de niobato de lítio, um material piezoelétrico. Quando o niobato de lítio vibra, ele cria campos elétricos oscilantes, e esses campos elétricos também podem causar vibração.
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 em 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.
Criando ondas como um laser
Os pesquisadores descrevem o dispositivo como funcionando como uma piscina de ondas.
Quando uma corrente elétrica passa através do arsenieto de índio e gálio, ondas superficiais são produzidas na camada de niobato de lítio. Essas ondas viajam para frente, atingem o refletor e depois voltam, semelhante à forma como a luz é refletida entre os espelhos em um laser. Cada passagem para frente fortalece a onda e cada passagem para trás a enfraquece.
“Ele perde quase 99% de sua potência quando anda para trás, então o projetamos para obter um impulso significativo no futuro para superar isso”, disse Wendt.
Após múltiplas passagens, as vibrações tornam-se tão fortes que uma peça se rompe de um lado do dispositivo, assim como a luz do laser eventualmente escapa de sua cavidade.
Ondas mais rápidas, dispositivos menores
Usando esta abordagem, a equipe gerou ondas acústicas de superfície com uma frequência de cerca de 1 gigahertz, o que significa bilhões de oscilações por segundo. Os pesquisadores acreditam que o mesmo design pode ser transferido 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.
Eichenfeld disse que o progresso pode levar a dispositivos sem fio menores, mais potentes e mais eficientes em termos energéticos.
Nos smartphones atuais, vários chips convertem constantemente ondas de rádio em PAV 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 sinais 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 único chip usando a mesma tecnologia.”
