A equipe de Matt Eichenfield no Sandia National Laboratories usa múltiplas frequências de micro-ondas para caracterizar um dispositivo de mistura fonônica não linear que eles construíram em um wafer de silício. Crédito: Bret Latter/Sandia National Laboratories
E se seus fones de ouvido pudessem fazer tudo o que seu smartphone já faz, exceto melhor? O que parece um pouco com ficção científica pode, na verdade, não estar tão distante. Uma nova classe de materiais sintéticos poderá anunciar a próxima revolução das tecnologias sem fios, permitindo que os dispositivos sejam mais pequenos, exijam menos intensidade de sinal e utilizem menos energia.
A chave para esses avanços está no que os especialistas chamam de fonônica, que é semelhante à fotônica. Ambos aproveitam leis físicas semelhantes e oferecem novas maneiras de avançar a tecnologia. Enquanto a fotônica tira vantagem dos fótons – ou luz – a fonônica faz o mesmo com os fônons, que são as partículas físicas que transmitem vibrações mecânicas através de um material, semelhantes ao som, mas em frequências muito altas para serem ouvidas.
Num artigo publicado em Materiais da Natureza, pesquisadores da Wyant College of Optical Sciences da Universidade do Arizona e do Sandia National Laboratories relatam um marco importante em direção a aplicações do mundo real baseadas em fonônica. Ao combinar materiais semicondutores altamente especializados e materiais piezoelétricos normalmente não usados juntos, os pesquisadores foram capazes de gerar interações não lineares gigantescas entre fônons. Juntamente com inovações anteriores que demonstram amplificadores para fônons usando os mesmos materiais, isso abre a possibilidade de tornar dispositivos sem fio, como smartphones ou outros transmissores de dados, menores, mais eficientes e mais potentes.
Tecnologia dentro dos smartphones
“A maioria das pessoas provavelmente ficaria surpresa ao saber que existem cerca de 30 filtros dentro de seus telefones celulares, cuja única função é transformar ondas de rádio em ondas sonoras e vice-versa”, disse o autor sênior do estudo, Matt Eichenfield, que tem um encontro conjunto. na Faculdade de Ciências Ópticas da UArizona e nos Laboratórios Nacionais Sandia em Albuquerque, Novo México.
Parte dos chamados processadores front-end, esses filtros piezoelétricos, feitos em microchips especiais, são necessários para converter ondas sonoras e eletrônicas várias vezes cada vez que um smartphone recebe ou envia dados, disse ele. Como eles não podem ser feitos dos mesmos materiais, como o silício, que os outros chips extremamente importantes do processador front-end, o tamanho físico do seu dispositivo é muito maior do que o necessário e, ao longo do caminho, há perdas entre as ondas de rádio e as ondas sonoras que se somam e degradam o desempenho, disse Eichenfield.
Matt Eichenfield, à esquerda, e Lisa Hackett, fotografados em seu laboratório no Sandia National Laboratories durante a pandemia de COVID-19. Com base em pesquisas anteriores, a equipe agora produziu misturadores acústicos, completando a lista de componentes necessários para fazer um front-end de radiofrequência em um único chip. Crédito: Bret Latter/Sandia National Laboratories
“Normalmente, os fônons se comportam de forma completamente linear, o que significa que não interagem entre si”, disse ele. “É um pouco como direcionar um feixe de ponteiro laser através de outro; 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 entre si, disse Eichenfield. No artigo, os pesquisadores demonstraram o que ele chama de “não-linearidades fonônicas gigantes”. Os materiais sintéticos produzidos pela equipe de pesquisa fizeram com que os fônons interagissem entre si com muito mais força do que em qualquer material convencional.
“Na analogia do ponteiro laser, isso seria como alterar a frequência dos fótons no primeiro ponteiro laser quando você liga o segundo”, disse ele. “Como resultado, você veria o feixe do primeiro mudando de cor.”
Com os novos materiais fonônicos, os pesquisadores demonstraram que um feixe de fônons pode, de fato, alterar a frequência de outro feixe. Além do mais, eles mostraram que os fônons podem ser manipulados de maneiras que só poderiam ser realizadas com a eletrônica baseada em transistores – até agora.
Avanços em direção a soluções de chip único
O grupo tem trabalhado com o objetivo de fabricar todos os componentes necessários para processadores de sinais de radiofrequência usando tecnologias de ondas acústicas em vez de componentes eletrônicos baseados em transistores em um único chip, de uma forma que seja compatível com a fabricação de microprocessadores padrão, e a publicação mais recente prova que isso pode ser feito. Anteriormente, os pesquisadores conseguiram fabricar componentes acústicos, incluindo amplificadores, interruptores e outros. Com os misturadores acústicos descritos na última publicação, eles acrescentaram a última peça do quebra-cabeça.
“Agora, você pode apontar para cada componente em um diagrama de um processador front-end de radiofrequência e dizer: ‘Sim, posso fazer tudo isso em um chip com ondas acústicas’”, disse Eichenfield. “Estamos prontos para avançar e fazer tudo no domínio acústico.”
Ter todos os componentes necessários para fazer um front-end de radiofrequência em um único chip poderia reduzir dispositivos como telefones celulares e outros dispositivos de comunicação sem fio em até um fator de 100, de acordo com Eichenfield.
A equipe conseguiu sua prova de princípio combinando materiais altamente especializados em dispositivos do tamanho de microeletrônicos, através dos quais enviavam ondas acústicas. Especificamente, eles pegaram um wafer de silício com uma fina camada de niobato de lítio – um material sintético amplamente utilizado em dispositivos piezoeletrônicos e telefones celulares – e adicionaram uma camada ultrafina (menos de 100 átomos de espessura) de um semicondutor contendo arsenieto de índio e gálio.
“Quando combinamos esses materiais da maneira certa, fomos capazes de acessar experimentalmente um novo regime de não linearidade fonônica”, disse a engenheira da Sandia, Lisa Hackett, autora principal do artigo. “Isso significa que temos um caminho a seguir para inventar tecnologia de alto desempenho para enviar e receber ondas de rádio menores do que nunca.”
Nesta configuração, as ondas acústicas que se movem através do sistema comportam-se de forma não linear quando viajam através dos materiais. Este efeito pode ser usado para alterar frequências e codificar informações. Um elemento básico da fotônica, os efeitos não lineares têm sido usados há muito tempo para transformar coisas como a luz laser invisível em ponteiros laser visíveis, mas o aproveitamento dos efeitos não lineares na fonônica tem sido dificultado por limitações na tecnologia e nos materiais. Por exemplo, embora o niobato de lítio seja um dos materiais fonónicos mais não lineares conhecidos, a sua utilidade para aplicações técnicas é dificultada pelo facto de essas não linearidades serem muito fracas quando utilizadas isoladamente.
Ao adicionar o semicondutor de arsenieto de índio-gálio, o grupo de Eichenfield criou um ambiente no qual as ondas acústicas que viajam através do material influenciam a distribuição de cargas elétricas no filme semicondutor de arsenieto de índio-gálio, fazendo com que as ondas acústicas se misturem de maneiras específicas que podem ser controlado, abrindo o sistema para diversas aplicações.
“A não linearidade efetiva que você pode gerar com esses materiais é centenas ou até milhares de vezes maior do que era possível antes, o que é uma loucura”, disse Eichenfield. “Se você pudesse fazer o mesmo com a óptica não linear, você revolucionaria o campo.”
Sendo o tamanho físico uma das limitações fundamentais do atual hardware de processamento de radiofrequência de última geração, a nova tecnologia poderá abrir a porta para dispositivos eletrónicos ainda mais capazes do que os seus homólogos atuais, segundo os autores. Dispositivos de comunicação que praticamente não ocupam espaço, têm melhor cobertura de sinal e bateria com maior duração estão no horizonte.
Referência: “Não-linearidade fonônica mediada por elétrons gigantes em heteroestruturas semicondutoras-piezoelétricas” por Lisa Hackett, Matthew Koppa, Brandon Smith, Michael Miller, Steven Santillan, Scott Weatherred, Shawn Arterburn, Thomas A. Friedmann, Nils Otterstrom e Matt Eichenfield, 3 de maio 2024, Materiais da Natureza.
DOI: 10.1038/s41563-024-01882-4
O estudo foi financiado pela Agência de Projetos de Pesquisa Avançada de Defesa e pelo Departamento de Energia dos EUA.
