Un team di ingegneri dell’Università del Colorado – Boulder e dell’Università dell’Arizona ha compiuto un passo avanti significativo nella generazione dei terremoti più piccoli mai realizzati artificialmente. La tecnologia, basata su un “phonon laser” a onde acustiche superficiali, potrebbe rivoluzionare la produzione di chip per smartphone e dispositivi wireless, rendendoli più piccoli, veloci ed efficienti.
Un laser che genera vibrazioni invece di luce
Presentata in uno studio pubblicato il 14 gennaio sulla rivista Nature, la novità si basa sulle cosiddette onde acustiche superficiali (SAW), simili alle onde sonore ma che si propagano solo sulla superficie dei materiali. “I dispositivi SAW sono fondamentali per molte delle tecnologie più importanti al mondo,” spiega Matt Eichenfield, docente in Quantum Engineering. “Si trovano in tutti gli smartphone moderni, nei telecomandi, nei sistemi GPS e in molti radar.”
Nei telefoni, le SAW agiscono come filtri: le radio interne ricevono i segnali da una torre cellulare, li trasformano in minuscole vibrazioni che i chip possono elaborare per eliminare rumore e segnali indesiderati, e poi li riconvertono in onde radio.
Il team ha sviluppato un modo innovativo di generare queste vibrazioni usando un phonon laser, simile a un normale laser ma capace di produrre onde anziché luce. Come spiega Alexander Wendt, autore principale dello studio, “Pensalo quasi come le onde di un terremoto, ma sulla superficie di un piccolo chip.”
A differenza dei dispositivi SAW tradizionali, che richiedono due chip e una fonte di alimentazione separata, il nuovo dispositivo funziona con un singolo chip alimentato da una batteria e può generare frequenze molto più elevate.
Come funziona il dispositivo
Per comprendere il principio, è utile confrontarlo con un laser tradizionale. I laser a diodi odierni fanno rimbalzare un fascio di luce tra due specchi microscopici su un chip semiconduttore; l’interazione con gli atomi del materiale amplifica il fascio. Il phonon laser replica questo meccanismo, ma con onde acustiche superficiali.
Il dispositivo ha forma di barra, lunga circa mezzo millimetro, e consiste in un strato di silicio, sopra cui è depositato uno strato sottile di niobato di litio, materiale piezoelettrico capace di generare campi elettrici oscillanti quando vibra. Infine, un sottile strato di arseniuro di indio e gallio accelera gli elettroni sotto l’effetto di un debole campo elettrico.
Le vibrazioni sulla superficie del niobato interagiscono direttamente con gli elettroni nell’arseniuro, creando un effetto simile a una piscina di onde: la corrente elettrica genera onde nel niobato, che si riflettono avanti e indietro, rafforzandosi ad ogni passaggio in avanti e attenuandosi indietro. Alla fine, una parte dell’onda fuoriesce dal chip, proprio come la luce in un laser.
Il team è riuscito a generare SAW a circa 1 gigahertz, ma punta a frequenze di decine o centinaia di gigahertz, molto superiori ai 4 gigahertz dei dispositivi tradizionali. Questo apre la strada a dispositivi wireless più compatti, potenti e a basso consumo energetico.
Nei telefoni, oggi, diversi chip trasformano le onde radio in SAW e viceversa ogni volta che si invia un messaggio, si chiama o si naviga in rete. Con questa tecnologia, tutto il processo potrebbe essere concentrato in un unico chip, semplificando e velocizzando le comunicazioni.
