Ученые из Sandia National Laboratories создали самый маленький и лучший в мире акустический усилитель. И они сделали это, используя концепцию, от которой практически отказались почти 50 лет назад. Акустический усилитель, разработанный исследователями, имеет размер 0,5 mm2 и более чем в 10 раз более эффективен, чем предыдущие версии. Направления дизайна и будущих исследований открывают перспективы для беспроводной технологии меньшего размера.
Современные сотовые телефоны оснащены радиоприемниками для отправки и приема телефонных звонков, текстовых сообщений и высокоскоростной передачи данных. Чем больше радиомодулей в устройстве, тем больше у него возможностей. Хотя большинство радиокомпонентов, включая усилители, являются электронными, их потенциально можно сделать меньше и лучше в виде акустических устройств. Это означает, что они будут использовать звуковые волны вместо электронов для обработки радиосигналов.
«Устройства на акустических волнах по своей природе компактны, потому что длины волн звука на этих частотах настолько малы - меньше диаметра человеческого волоса», - сказала Лиза Хакетт, ученый из Sandia. Но до сих пор для многих из этих компонентов было невозможно использовать звуковые волны.
Акустоэлектрический чип (вверху), произведенный в Sandia National Laboratories, включает в себя усилитель радиочастоты, циркулятор и фильтр. Изображение, полученное с помощью сканирующей электронной микроскопии, показывает детали усилителя. Фото: Bret Latter / Matt Eichenfield.
Акустический усилитель Sandia с частотой 276 МГц и площадью всего 0,5 mm2 демонстрирует огромный, в значительной степени неиспользованный потенциал для уменьшения размеров радиоприемников за счет акустики. Для усиления частот 2 ГГц, на которые приходится большая часть трафика современных сотовых телефонов, устройство должно быть еще меньше, 0,02 mm2, занимая площадь, которая легко поместится внутри крупинки поваренной соли и будет более чем в 10 раз меньше, чем достигли современные технологии.
Команда также создала первый акустический циркулятор, еще один важный радиокомпонент, который разделяет передаваемые и принимаемые сигналы. Вместе эти миниатюрные части представляют собой неизведанный путь к тому, чтобы все технологии, которые отправляют и получают информацию с помощью радиоволн, стали меньше и сложнее, сказал ученый из Sandia, Мэтт Эйхенфилд.
«Мы первые, кто продемонстрировал практичность выполнения функций, которые обычно выполняются в электронной области, в акустической области», - сказал Эйхенфилд.
Ученые Мэтт Эйхенфилд (слева) и Лиза Хэкетт возглавили команду Sandia National Laboratories, которая создала самый маленький и лучший акустический усилитель в мире. Фото: Bret Latter, Sandia National Laboratories.
Воскрешение дизайна, которому уже несколько десятилетий.
Ученые пытались создать акустические усилители радиочастоты несколько десятилетий назад, но последние крупные научные статьи об этих усилиях были опубликованы в 1970-х годах.
Без современных технологий нанопроизводства их устройства работали слишком плохо, чтобы быть полезными. Для увеличения сигнала в 100 раз с помощью старых устройств требовалось 1 сантиметр пространства и 2000 вольт электричества. Они также выделяли много тепла, для чего требовалось более 500 милливатт энергии.
Новый улучшенный усилитель более чем в 10 раз эффективнее версий, построенных в 70-х годах, по нескольким параметрам. Он может повысить мощность сигнала в 100 раз на пространстве 0,2 миллиметра всего лишь с напряжением 36 Вольт и необходимой 20 милливаттной мощностью.
Предыдущие исследователи зашли в тупик, пытаясь улучшить акустические устройства, которые не способны к усилению или циркуляции сами по себе, с помощью слоев полупроводниковых материалов. Чтобы их концепция работала хорошо, добавленный материал должен быть очень тонким и очень высокого качества, но у ученых были только методы, чтобы сделать одно или другое.
Десятилетия спустя Sandia разработала методы, позволяющие улучшить фотоэлектрические элементы, добавив серию тонких слоев полупроводниковых материалов. Ученый из Sandia, возглавлявший эту работу, оказался в одном офисе с Эйхенфилдом.
«У меня было довольно сильное периферическое воздействие. Я постоянно слышал об этом в своем офисе», - сказал Эйхенфилд. «Вероятно, три года спустя, я читал эти статьи из любопытства об этой работе акустоэлектрического усилителя и о том, что они пытались сделать, и я понял, что эта работа, которую проделала Sandia для разработки этих методов, по существу взятия очень, очень тонких полупроводников и переноса их на другие материалы, была именно тем, что нам нужно, чтобы заставить эти устройства реализовать все свои обещания».
Sandia создала свой усилитель из полупроводниковых материалов, толщиной состоящих из 83 слоев атомов, что в 1000 раз тоньше человеческого волоса.
Наплавление сверхтонкого полупроводникового слоя на разнородное акустическое устройство потребовало сложного замысловатого процесса выращивания кристаллов поверх других кристаллов, связывания их с другими кристаллами и последующего химического удаления 99,99% материалов для получения идеально гладкой контактной поверхности. Подобные методы нанопроизводства в совокупности называются гетерогенной интеграцией и представляют собой область исследований, вызывающую растущий интерес ученых Sandia в комплексе микросистемной инженерии, науки и приложений, а также во всей полупроводниковой промышленности.
Усилители, циркуляторы и фильтры обычно производятся отдельно, потому что это разные технологии, но Sandia производила их все на одном акусто-электрическом чипе. Чем больше технологий можно реализовать на одном кристалле, тем проще и эффективнее становится производство. Исследование команды показывает, что оставшиеся компоненты обработки радиосигналов могут быть сделаны как расширения уже продемонстрированных устройств.
Итак, как скоро эти миниатюрные радиодетали будут внутри вашего телефона? «Наверное, не сразу и не скоро», - сказал Эйхенфилд. По его словам, преобразование серийно выпускаемых коммерческих продуктов, таких как сотовые телефоны, на все акустоэлектрические технологии, потребует капитального ремонта производственной инфраструктуры. Но для небольших производств специализированных устройств эта технология является более перспективной.
Команда Sandia сейчас изучает, смогут ли они адаптировать свою технологию для улучшения полностью оптической обработки сигналов также. Они также заинтересованы в том, чтобы выяснить, может ли технология помочь изолировать и управлять отдельными квантами звука, называемыми фононами, что потенциально может сделать ее полезной для контроля и проведения измерений в некоторых квантовых компьютерах.
Работа команды была опубликована в журнале Nature Communications.
Источник: Phys.org
