Смартфони, які ми щодня тримаємо в руках, уже давно наповнені складними фізичними технологіями, про існування яких більшість користувачів навіть не замислюється. Одна з них — поверхневі акустичні хвилі (SAW), без яких сучасний мобільний зв’язок був би неможливим. Тепер же вчені зробили крок, який може суттєво зменшити розміри таких компонентів і водночас підвищити їхню ефективність.
Поверхневі акустичні хвилі добре знайомі геологам: саме вони поширюються вздовж поверхні Землі під час землетрусів і завдають найбільших руйнувань. У мікросвіті принцип той самий — тільки замість земної кори хвилі рухаються по поверхні крихітних кристалів. У смартфонах SAW-фільтри перетворюють радіосигнали на мікроскопічні вібрації, відсіюючи зайві частоти й шум. Саме завдяки цьому телефон «розуміє», який сигнал йому потрібен, а який — ні.
Проблема в тому, що такі фільтри зазвичай доволі громіздкі. Для їхньої роботи потрібні кілька чипів і окреме джерело енергії, що ускладнює подальше зменшення пристроїв. Саме цю перешкоду вдалося обійти дослідникам, які опублікували свої результати в журналі Nature.
Вони створили так званий «фононний лазер» — своєрідний аналог оптичного лазера, але замість світла він генерує звук. Якщо звичайний лазер підсилює світловий промінь між дзеркалами на напівпровідниковому чипі, то тут роль «променя» виконують акустичні хвилі.
Конструкція нового пристрою нагадує багатошаровий пиріг. За основу взяли кремнієву пластину, на яку нанесли тонкий шар літій-ніобату — матеріалу, добре відомого в телекомунікаціях. Його особливість у тому, що він є п’єзоелектричним: коли матеріал вібрує, він створює електричне поле, і навпаки. Зверху додали індій-галій-арсенід — напівпровідник, який активно реагує на електричні поля та «розганяє» електрони.
Коли до цієї структури прикладають напругу, в літій-ніобаті виникають поверхневі акустичні хвилі, які починають ритмічно поширюватися по поверхні. Дослідникам уже вдалося досягти частоти близько 1 гігагерца, але вони вважають, що потенціал технології значно вищий — аж до сотень гігагерців. Для порівняння, більшість сучасних SAW-пристроїв ледве дотягують до 4 гігагерців.
Головна перевага такого підходу — універсальність. Зараз у смартфонах використовують кілька різних чипів, щоб перетворювати радіохвилі на акустичні та назад. У перспективі всю цю роботу може виконувати один-єдиний компонент.
За словами авторів дослідження, фононний лазер був останнім відсутнім елементом, який заважав зібрати всі радіокомпоненти на одному чипі. Якщо технологію вдасться довести до масового виробництва, це відкриє шлях до ще компактніших, енергоефективніших і потужніших мобільних пристроїв — без компромісів у якості зв’язку.
І хоча для користувача зміни можуть бути непомітними на перший погляд, саме такі фундаментальні наукові прориви поступово визначають, якими будуть смартфони майбутнього.