Engenheiros desenvolvem um laser de fônons que pode compactar seu próximo celular.

A novidade sobre ondas acústicas de superfície

A descoberta centra-se em um dispositivo chamado laser de fônons de onda acústica de superfície. Essa tecnologia pode eventualmente permitir chips mais avançados para smartphones e outros eletrônicos sem fio, ajudando a torná-los menores, mais rápidos e mais eficientes em termos de energia.

A pesquisa foi liderada por Matt Eichenfield, um novo membro do corpo docente da Universidade do Colorado Boulder, juntamente com cientistas da Universidade do Arizona e dos Laboratórios Nacionais Sandia. Seus resultados foram publicados em 14 de janeiro na revista Nature.

O que são ondas acústicas de superfície?

O novo dispositivo depende das ondas acústicas de superfície, comumente conhecidas como SAWs. Essas ondas comportam-se de maneira semelhante às ondas sonoras, mas em vez de viajar pelo ar ou pelas profundezas de um material, elas se movem apenas ao longo de sua superfície.

Grandes terremotos produzem naturalmente poderosas ondas acústicas de superfície que se espalham pela crosta terrestre, sacudindo edifícios e causando danos. Em uma escala muito menor, as SAWs já são essenciais para a tecnologia moderna.

“Os dispositivos SAW são críticos para muitas das tecnologias mais importantes do mundo”, disse Eichenfield, autor sênior do novo estudo e titular da Cátedra Gustafson em Engenharia Quântica na CU Boulder. “Estão em todos os celulares modernos, chaves eletrônicas, abridores de portas de garagem, na maioria dos receptores GPS, muitos sistemas de radar e mais.”

Como as SAWs já movem os smartphones

Dentro de um smartphone, as SAWs funcionam como filtros altamente precisos. Os sinais de rádio que chegam de uma torre de celular são primeiro convertidos em pequenas vibrações mecânicas. Isso permite que os chips separem sinais úteis de interferências e ruídos de fundo. As vibrações limpas são então convertidas de volta em ondas de rádio.

Neste estudo, Eichenfield e seus colegas introduziram uma nova forma de gerar essas ondas de superfície usando o que eles chamam de laser de fônons. Ao contrário de um típico ponteiro laser que emite luz, esse dispositivo produz vibrações controladas.

“Pense nisso quase como as ondas de um terremoto, mas na superfície de um pequeno chip”, disse Alexander Wendt, aluno de pós-graduação da Universidade do Arizona e autor principal do estudo.

A maioria dos sistemas SAW existentes requer dois chips separados e uma fonte de energia externa. O novo design combina tudo em um único chip e pode operar apenas com uma bateria, atingindo frequências muito mais altas.

Um laser feito para vibrações

Para entender o novo dispositivo, é útil começar com a forma como os lasers convencionais funcionam.

Muitos lasers do dia a dia são lasers de diodo, que criam luz ao refletirem entre dois pequenos espelhos em um chip semicondutor. À medida que a luz reflete para frente e para trás, interage com átomos energizados por uma corrente elétrica. Esses átomos liberam luz adicional, fortalecendo o feixe.

“Lasers de diodo são a base da maioria das tecnologias ópticas porque podem ser operados apenas com uma bateria ou uma fonte de tensão simples, em vez de precisar de mais luz para criar o laser como muitos tipos anteriores de lasers”, disse Eichenfield. “Queríamos criar uma análoga desse tipo de laser, mas para SAWs.”

Para alcançar isso, a equipe construiu um dispositivo em forma de barra com cerca de meio milímetro de comprimento.

Uma pilha de materiais especializados

O dispositivo consiste em várias camadas de materiais. Na sua base está o silício, o mesmo material usado na maioria dos chips de computador. Acima, fica uma fina camada de niobato de lítio, um material piezoelétrico. Quando o niobato de lítio vibra, ele produz campos elétricos oscilantes, que também podem desencadear vibrações.

A camada final é uma folha extremamente fina de arseneto de índio e gálio. Esse material possui propriedades eletrônicas incomuns e pode acelerar elétrons a velocidades muito altas, mesmo sob campos elétricos fracos.

Juntas, essas camadas permitem que as vibrações que viajam pela superfície do niobato de lítio interajam diretamente com elétrons de movimentação rápida no arseneto de índio e gálio.

Fazendo ondas se comportarem como um laser

Os pesquisadores descrevem o dispositivo como funcionando de forma semelhante a uma piscina de ondas.

Quando a corrente elétrica flui pelo arseneto de índio e gálio, ondas de superfície se formam na camada de niobato de lítio. Essas ondas viajam para frente, atingem um refletor e depois voltam, assim como a luz refletindo entre espelhos em um laser. Cada passagem para frente fortalece a onda, enquanto cada passagem para trás a enfraquece.

“Perde quase 99% de sua energia quando está se movendo para trás, então projetamos para obter uma quantidade substancial de ganho ao se mover para frente para superar isso”, disse Wendt.

Após várias passagens, as vibrações se tornam suficientemente fortes para que uma parte escape de um dos lados do dispositivo, semelhante a como a luz laser eventualmente sai de sua cavidade.

Ondas mais rápidas, dispositivos menores

Usando essa abordagem, a equipe gerou ondas acústicas de superfície vibrando a cerca de 1 gigahertz, o que significa bilhões de oscilações por segundo. Os pesquisadores acreditam que o mesmo design pode ser levado a dezenas ou até centenas de gigahertz.

Dispositivos SAW tradicionais geralmente alcançam um máximo de cerca de 4 gigahertz, tornando o novo sistema muito mais rápido.

Eichenfield afirmou que o avanço pode levar a dispositivos sem fio que são menores, mais poderosos e mais eficientes em termos de energia.

Nos smartphones de hoje, múltiplos chips convertem repetidamente ondas de rádio em SAWs e vice-versa sempre que os usuários enviam mensagens, fazem chamadas ou navegam na internet. Os pesquisadores visam simplificar esse processo, criando um único chip que lida com todo o processamento de sinal usando ondas acústicas de superfície.

“Este laser de fônons foi o último dominó que precisávamos derrubar”, disse Eichenfield. “Agora podemos literalmente fazer todos os componentes que você precisa para um rádio em um único chip usando o mesmo tipo de tecnologia.”