Engenheiros deram um grande passo em direção à produção dos menores terremotos já criados, reduzindo as vibrações sísmicas ao tamanho de um microchip.
A descoberta gira em torno de um dispositivo chamado laser de fônon de onda acústica de superfície. A 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 membro da faculdade que está chegando à Universidade do Colorado Boulder, juntamente com cientistas da Universidade do Arizona e dos Laboratórios Nacionais Sandia. Seus achados 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 se comportam de maneira semelhante a ondas sonoras, mas em vez de viajar pelo ar ou pelo interior de um material, elas se movem apenas ao longo de sua superfície.
Terremotos grandes naturalmente produzem poderosas ondas acústicas de superfície que se propagam pela crosta terrestre, sacudindo edifícios e causando danos. Em uma escala muito menor, as SAWs já são essenciais para a tecnologia moderna.
“Dispositivos SAWs 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. “Eles estão presentes em todos os celulares modernos, chaves eletrônicas, abridores de garagem, na maioria dos receptores GPS, em muitos sistemas de radar e muito mais.”
Como as SAWs já impulsionam os smartphones
Dentro de um smartphone, as SAWs funcionam como filtros altamente precisos. Sinais de rádio que chegam de uma torre de celular são primeiramente 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.
No estudo, Eichenfield e seus colegas introduziram uma nova maneira de gerar essas ondas de superfície usando o que chamam de laser de fônon. Ao contrário de um típico apontador laser que emite luz, este dispositivo produz vibrações controladas.
“Pense nisso quase como as ondas de um terremoto, mas na superfície de um pequeno chip”, disse Alexander Wendt, um estudante 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 usando apenas uma bateria, alcançando frequências muito mais altas.
Um Laser Construído para Vibrações
Para entender o novo dispositivo, é útil começar com o funcionamento de lasers convencionais.
Muitos lasers do dia a dia são lasers de diodo, que criam luz ao refletir entre dois pequenos espelhos em um chip semicondutor. À medida que a luz se reflete para frente e para trás, ela interage com átomos energizados por uma corrente elétrica. Esses átomos liberam luz adicional, fortalecendo o feixe.
“Os lasers de diodo são a base da maioria das tecnologias ópticas porque podem ser operados com apenas 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 fazer um análogo 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 dele, há uma fina camada de niobato de lítio, um material piezoelétrico. Quando o niobato de lítio vibra, ele produz campos elétricos oscilantes, e esses campos elétricos também podem ativar vibrações.
A camada final é uma folha extremamente fina de arsenieto de índio e gálio. Este 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 os elétrons de alta velocidade no arsenieto de índio e gálio.
Fazendo Ondas Crescerem Como um Laser
Os pesquisadores descrevem o dispositivo como funcionando de maneira semelhante a uma piscina de ondas.
Quando a corrente elétrica flui através do arsenieto de índio e gálio, ondas de superfície se formam na camada de niobato de lítio. Essas ondas viajam para a frente, atingem um refletor e depois voltam, assim como a luz se reflete entre espelhos em um laser. Cada passagem para frente fortalece a onda, enquanto cada passagem para trás a enfraquece.
“Ela perde quase 99% de sua potência quando está se movendo para trás, então projetamos isso para obter uma quantidade substancial de ganho ao se mover para frente para superar isso”, disse Wendt.
Após passagens repetidas, as vibrações se tornam fortes o suficiente para que uma parte escape de um lado 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, significando 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 normalmente atingem um máximo de cerca de 4 gigahertz, fazendo com que o novo sistema seja muito mais rápido.
Eichenfield disse que o avanço poderia 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 pretendem simplificar esse processo criando um único chip que manipula todo o processamento de sinal usando ondas acústicas de superfície.
“Este laser de fônon foi o último dominó que precisávamos derrubar”, disse Eichenfield. “Agora podemos literalmente criar todos os componentes de que você precisa para um rádio em um chip, usando o mesmo tipo de tecnologia.”
