Los ingenieros han dado un paso importante hacia la creación de los terremotos más pequeños jamás creados, reduciendo las vibraciones de estilo sísmico a la escala de un microchip.
El avance se centra en un dispositivo llamado láser de fonones de ondas acústicas de superficie. La tecnología podría eventualmente permitir chips más avanzados para teléfonos inteligentes y otros dispositivos electrónicos inalámbricos, ayudando a hacerlos más pequeños, más rápidos y más eficientes energéticamente.
La investigación fue dirigida por el profesor entrante Matt Eichenfeld de la Universidad de Colorado Boulder y científicos de la Universidad de Arizona y los Laboratorios Nacionales Sandia. Sus resultados fueron publicados en la revista el 14 de enero. la naturaleza.
¿Qué es la onda acústica superficial?
El nuevo dispositivo se basa en ondas acústicas superficiales, comúnmente conocidas como SAW. Estas ondas se comportan de manera similar a las ondas sonoras, pero en lugar de viajar a través del aire o profundamente en un material, simplemente viajan a lo largo de su superficie.
Los grandes terremotos producen naturalmente fuertes ondas acústicas superficiales que viajan a través de la corteza terrestre, sacudiendo edificios y causando daños. En una escala mucho menor, las SAW ya son esenciales para la tecnología moderna.
“Los dispositivos SAW son fundamentales para muchas de las tecnologías más importantes del mundo”, dijo Eichenfeld, autor principal del nuevo estudio y catedrático Gustafson en Ingeniería Cuántica en CU Boulder. “Están en todos los teléfonos móviles modernos, llaveros, abridores de puertas de garaje, la mayoría de los receptores GPS, muchos sistemas de radar y más”.
Cómo las SAW ya alimentan los teléfonos inteligentes
Dentro de un teléfono inteligente, las SAW actúan como filtros de alta precisión. Las señales de radio provenientes de una torre de telefonía celular primero se convierten en pequeñas vibraciones mecánicas. Esto permite a los chips separar las señales útiles de las interferencias y el ruido de fondo. Las vibraciones eliminadas se convierten nuevamente en ondas de radio.
En este estudio, Eichenfeld y sus colegas introdujeron una nueva forma de generar estas ondas superficiales utilizando los llamados láseres de fonones. A diferencia de un puntero láser típico que emite luz, este dispositivo produce vibraciones controladas.
“Piense en ello casi como una onda sísmica, justo en la superficie de un pequeño chip”, dijo Alexander Wendt, estudiante de posgrado de la Universidad de Arizona y autor principal del estudio.
La mayoría de los sistemas SAW existentes requieren dos chips separados y una fuente de alimentación externa. El nuevo diseño lo integra todo en un único chip y puede funcionar con una sola batería alcanzando frecuencias mucho más altas.
Un láser construido para la vibración
Para comprender el nuevo dispositivo, es útil empezar por cómo funcionan los láseres convencionales.
Muchos láseres cotidianos son láseres de diodo, que producen luz al rebotar entre dos pequeños espejos en un chip semiconductor. A medida que la luz se refleja de un lado a otro, interactúa con átomos cargados con corriente eléctrica. Estos átomos liberan luz adicional, fortaleciendo el haz.
“Los láseres de diodo son la piedra angular de la mayoría de las tecnologías ópticas porque pueden funcionar con sólo una batería o una simple fuente de voltaje, en lugar de necesitar más luz para producir un láser como los láseres anteriores”, dijo Eichenfeld. “Queríamos crear un análogo de este tipo de láser pero para SAW”.
Para lograrlo, el equipo creó un dispositivo en forma de barra de aproximadamente medio milímetro de largo.
Una pila de materiales especializados.
El dispositivo consta de varias capas de materiales. Está basado en silicio, el mismo material utilizado en la mayoría de los chips de computadora. Encima hay una fina capa de niobato de litio, un material piezoeléctrico. Cuando el niobato de litio vibra, crea campos eléctricos oscilantes, y esos campos eléctricos también pueden provocar vibraciones.
La capa final es una lámina extremadamente delgada de arseniuro de indio y galio. Este material tiene propiedades electrónicas inusuales y puede acelerar electrones a velocidades muy altas incluso bajo campos eléctricos débiles.
Juntas, estas capas permiten que las vibraciones que viajan a lo largo de la superficie del niobato de litio interactúen directamente con los electrones que se mueven rápidamente en el arseniuro de indio y galio.
Creando ondas similares a las de un láser
Los investigadores describieron el dispositivo como si actuara como una piscina de olas.
Cuando una corriente eléctrica pasa a través del arseniuro de indio y galio, se forman ondas superficiales en la capa de niobato de litio. Estas ondas viajan hacia adelante, chocan contra un reflector y luego rebotan, de manera muy similar al reflejo de la luz en un espejo láser. Cada paso hacia adelante fortalece la ola, mientras que cada paso hacia atrás la debilita.
“Pierde alrededor del 99% de su energía cuando retrocede, por lo que lo diseñamos para que tenga suficiente ganancia para avanzar y vencerlo”, dijo Wendt.
Después de repetidas pasadas, las vibraciones se vuelven lo suficientemente fuertes como para que una pieza se escape por un lado del dispositivo, cuando la luz láser finalmente sale de su cavidad.
Ondas más rápidas, dispositivos más pequeños
Utilizando este método, el equipo generó ondas acústicas superficiales que pulsaban a aproximadamente 1 GHz, lo que significa miles de millones de oscilaciones por segundo. Los investigadores creen que el mismo diseño podría ampliarse a decenas o incluso cientos de gigahercios.
Los dispositivos SAW tradicionales suelen alcanzar un máximo de alrededor de 4 GHz, lo que hace que el nuevo sistema sea aún más rápido.
Eichenfeld dijo que el avance podría conducir a dispositivos inalámbricos que sean más pequeños, más potentes y más eficientes energéticamente.
En los teléfonos inteligentes actuales, varios chips convierten repetidamente las ondas de radio en SAW y viceversa cada vez que los usuarios envían mensajes, hacen llamadas o navegan por Internet. Los investigadores pretenden simplificar ese proceso creando un único chip que maneje todo el procesamiento de señales utilizando ondas acústicas superficiales.
“Este láser de fonones era la última pieza de dominó que necesitábamos derribar”, dijo Eichenfeld. “Ahora podemos fabricar literalmente todos los componentes necesarios para una radio utilizando la misma tecnología”.
