הצוות של מאט אייכנפילד במעבדות הלאומיות של Sandia משתמש בתדרי מיקרוגל מרובים כדי לאפיין מכשיר ערבוב פוני לא ליניארי שהם בנו על פרוסת סיליקון. קרדיט: Bret Latter/Sandia National Laboratories
מה אם האוזניות שלך היו יכולות לעשות את כל מה שהסמארטפון שלך יכול לעשות כבר, מלבד טוב יותר? מה שנשמע קצת כמו מדע בדיוני אולי בעצם לא כל כך רחוק. סוג חדש של חומרים סינתטיים יכול לבשר על המהפכה הבאה של טכנולוגיות אלחוטיות, ולאפשר למכשירים להיות קטנים יותר, לדרוש פחות עוצמת אות ולהשתמש בפחות חשמל.
המפתח להתקדמות אלה טמון במה שמומחים מכנים פונוניקה, הדומה לפוטוניקה. שניהם מנצלים חוקים פיזיקליים דומים ומציעים דרכים חדשות לקדם טכנולוגיה. בעוד שהפוטוניקה מנצלת את הפוטונים – או האור – הפוניקה עושה את אותו הדבר עם פונונים, שהם החלקיקים הפיזיקליים המעבירים רעידות מכניות דרך חומר, הדומות לצליל, אבל בתדרים גבוהים מדי מכדי לשמוע.
במאמר שפורסם ב חומרי טבע, חוקרים מאוניברסיטת אריזונה Wyant College of Optical Sciences ו-Sandia National Laboratories מדווחים על פינוי אבן דרך גדולה לקראת יישומים בעולם האמיתי המבוססים על פונוניקה. על ידי שילוב של חומרים מוליכים למחצה מיוחדים מאוד וחומרים פיזואלקטריים שלא נעשה בהם שימוש בדרך כלל יחד, החוקרים הצליחו ליצור אינטראקציות לא ליניאריות ענקיות בין פונונים. יחד עם חידושים קודמים שהדגימו מגברים לפונונים המשתמשים באותם חומרים, זה פותח את האפשרות להפוך מכשירים אלחוטיים כמו סמארטפונים או משדרי נתונים אחרים לקטנים יותר, יעילים יותר וחזקים יותר.
טכנולוגיה בתוך סמארטפונים
"רוב האנשים בטח יופתעו לשמוע שיש משהו כמו 30 פילטרים בתוך הטלפון הסלולרי שלהם שתפקידם היחיד הוא להפוך גלי רדיו לגלי קול ובחזרה", אמר המחבר הבכיר של המחקר, מאט אייכנפילד, המחזיק בפגישה משותפת. במכללת UArizona למדעי האופטיקה ובמעבדות הלאומיות של Sandia באלבקרקי, ניו מקסיקו.
חלק ממה שמכונה מעבדים חזיתיים, המסננים הפיאזואלקטריים הללו, המיוצרים על שבבים מיוחדים, נחוצים כדי להמיר קול וגלים אלקטרוניים מספר פעמים בכל פעם שסמארטפון מקבל או שולח נתונים, הוא אמר. מכיוון שלא ניתן לייצר אותם מאותם חומרים, כמו סיליקון, כמו השבבים החשובים ביותר במעבד הקדמי, הגודל הפיזי של המכשיר שלך גדול בהרבה ממה שהוא צריך להיות, ועל הדרך, יש הפסדים ממעבר הלוך ושוב בין גלי רדיו לגלי קול שמצטברים ומדרדרים את הביצועים, אמר אייכנפילד.
מאט אייכנפילד, משמאל, וליסה האקט, בתמונה במעבדה שלהם במעבדות הלאומיות של Sandia במהלך מגיפת COVID-19. בהתבסס על מחקרים קודמים, הצוות ייצר כעת מיקסרים אקוסטיים, והשלים את רשימת הרכיבים הדרושים ליצירת חזית תדר רדיו על שבב בודד. קרדיט: Bret Latter/Sandia National Laboratories
"בדרך כלל, פונונים מתנהגים בצורה ליניארית לחלוטין, כלומר הם לא מקיימים אינטראקציה זה עם זה", אמר. "זה קצת כמו להאיר קרן לייזר אחת דרך אחרת; הם פשוט עוברים אחד את השני."
פונוניקה לא לינארית מתייחסת למה שקורה בחומרים מיוחדים כאשר הפונונים יכולים לקיים אינטראקציה זה עם זה, אמר אייכנפילד. במאמר הדגימו החוקרים את מה שהוא מכנה "אי-לינאריות פונונית ענקית". החומרים הסינתטיים שהופקו על ידי צוות המחקר גרמו לפונונים ליצור אינטראקציה זה עם זה בצורה חזקה הרבה יותר מאשר בכל חומר קונבנציונלי.
"באנלוגיה של מצביע הלייזר, זה יהיה כמו שינוי תדירות הפוטונים במצביע הלייזר הראשון כשאתה מפעיל את השני", אמר. "כתוצאה מכך, תראה את האלומה מהקרן הראשונה משנה צבע."
עם החומרים הפונונים החדשים, החוקרים הוכיחו שקרן אחת של פונונים יכולה, למעשה, לשנות את התדר של קרן אחרת. יתרה מכך, הם הראו שניתן לתמרן בפונונים בדרכים שניתן היה לממש רק באמצעות אלקטרוניקה מבוססת טרנזיסטור – עד כה.
התקדמות לקראת פתרונות שבב בודד
הקבוצה פועלת לקראת המטרה לייצר את כל הרכיבים הדרושים למעבדי אותות בתדר רדיו תוך שימוש בטכנולוגיות גל אקוסטיות במקום אלקטרוניקה מבוססת טרנזיסטור על שבב בודד, בצורה שתואמת לייצור מיקרו-מעבד סטנדרטי, והפרסום האחרון מוכיח שאפשר לעשות את זה. בעבר, החוקרים הצליחו לייצר רכיבים אקוסטיים הכוללים מגברים, מתגים ואחרים. עם המיקסרים האקוסטיים המתוארים בפרסום האחרון, הם הוסיפו את החלק האחרון בפאזל.
"עכשיו, אתה יכול להצביע על כל רכיב בתרשים של מעבד חזיתי בתדר רדיו ולהגיד, 'כן, אני יכול לעשות את כל אלה בשבב אחד עם גלים אקוסטיים'", אמר אייכנפילד. "אנחנו מוכנים לעבור להכנת כל השבנג בתחום האקוסטי."
קיום כל הרכיבים הדרושים ליצירת קצה קצה של תדר רדיו על שבב בודד יכול לכווץ מכשירים כמו טלפונים סלולריים וגאדג'טים לתקשורת אלחוטית אחרים בשיעור של עד 100, לפי אייכנפילד.
הצוות השיג את הוכחת העיקרון שלו על ידי שילוב חומרים מיוחדים ביותר למכשירים בגודל מיקרואלקטרוניקה שדרכם הם שלחו גלים אקוסטיים. באופן ספציפי, הם לקחו רקיקת סיליקון עם שכבה דקה של ליתיום ניובאט – חומר סינטטי בשימוש נרחב במכשירים פיזואלקטרוניים וטלפונים סלולריים – והוסיפו שכבה דקה במיוחד (עובי של פחות מ-100 אטומים) של מוליך למחצה המכיל אינדיום גליום ארסניד.
"כאשר שילבנו את החומרים הללו בדיוק בצורה הנכונה, הצלחנו לגשת בניסוי למשטר חדש של אי-לינאריות פונונית", אמרה מהנדסת Sandia, ליסה האקט, המחברת הראשית בעיתון. "משמעות הדבר היא שיש לנו דרך קדימה להמצאת טכנולוגיה בעלת ביצועים גבוהים לשליחה וקבלה של גלי רדיו קטנים יותר ממה שאי פעם היה אפשרי."
במערך זה, גלים אקוסטיים הנעים במערכת מתנהגים בדרכים לא ליניאריות כאשר הם עוברים דרך החומרים. ניתן להשתמש באפקט זה לשינוי תדרים ולקידוד מידע. מרכיב בסיסי בפוטוניקה, אפקטים לא ליניאריים שימשו זה מכבר כדי להפוך דברים כמו אור לייזר בלתי נראה למצביעי לייזר גלויים, אבל ניצול ההשפעות הלא ליניאריות בפונניק הפריע בגלל מגבלות בטכנולוגיה ובחומרים. לדוגמה, בעוד ליתיום ניובאט הוא אחד החומרים הפונונים הלא ליניאריים הידועים ביותר, השימושיות שלו עבור יישומים טכניים מעוכבת על ידי העובדה שהאי-לינאריות הללו חלשות מאוד כאשר משתמשים בהן בפני עצמה.
על ידי הוספת המוליך למחצה אינדיום-גליום ארסניד, הקבוצה של אייכנפילד יצרה סביבה שבה הגלים האקוסטיים העוברים דרך החומר משפיעים על חלוקת המטענים החשמליים בסרט המוליך למחצה אינדיום-גליום ארסניד, מה שגורם לגלים האקוסטיים להתערבב בדרכים ספציפיות שיכולות להיות מבוקר, פותח את המערכת ליישומים שונים.
"האי-ליניאריות האפקטיבית שאתה יכול ליצור עם החומרים האלה גדולה מאות או אפילו אלפי מונים ממה שהיה אפשרי קודם לכן, וזה מטורף", אמר אייכנפילד. "אם היית יכול לעשות את אותו הדבר עבור אופטיקה לא ליניארית, היית עושה מהפכה בתחום."
מכיוון שהגודל הפיזי הוא אחת המגבלות הבסיסיות של חומרת עיבוד תדרי רדיו עדכנית ומתקדמת, הטכנולוגיה החדשה יכולה לפתוח את הדלת למכשירים אלקטרוניים בעלי יכולת גבוהה אפילו יותר מקביליהם הנוכחיים, על פי המחברים. מכשירי תקשורת שאינם תופסים כמעט מקום, בעלי כיסוי אות טוב יותר ובעלי חיי סוללה ארוכים יותר, נמצאים באופק.
המחקר מומן על ידי Defense Advanced Research Projects Agency ומשרד האנרגיה האמריקאי.
