Revolutionäre phononische Materialien versprechen kleinere, leistungsstärkere Wireless-Geräte

Electronics & Sensors INSIDER

In Matt Eichenfields Labor am Sandia National Laboratories charakterisieren er und sein Team mit mehreren Mikrowellenfrequenzen ein nichtlineares phononisches Mischgerät, das sie auf einem Siliziumwafer gebaut haben.

Photonik vs. Phononik

Eine neue Klasse synthetischer Materialien könnte die nächste Revolution der Wireless-Technologien einläuten, die Geräte kleiner, weniger signalstark und stromsparender macht.

Der Schlüssel liegt in der Phononik, die der Photonik ähnelt. Beide nutzen ähnliche physikalische Gesetze und bieten neue Wege zur Technologieweiterentwicklung. Während Photonik Photonen nutzt, tut Phononik dasselbe mit Phononen – den physikalischen Teilchen, die mechanische Schwingungen durch ein Material übertragen, ähnlich wie Schall, aber bei Frequenzen, die weit zu hoch zum Hören sind.

Meilenstein: Gigantische nichtlineare Phononen-Interaktionen

In einer in Nature Materials veröffentlichten Arbeit berichten Forscher der University of Arizona Wyant College of Optical Sciences und Sandia National Laboratories über einen großen Meilenstein hin zu realen Anwendungen basierend auf Phononik. Durch Kombination hochspezialisierter Halbleitermaterialien und piezoelektrischer Materialien, die normalerweise nicht zusammen verwendet werden, gelang es den Forschern, riesige nichtlineare Interaktionen zwischen Phononen zu erzeugen. Zusammen mit früheren Innovationen, die Phononenverstärker mit denselben Materialien demonstrierten, eröffnet dies die Möglichkeit, Wireless-Geräte wie Smartphones oder andere Datentransmitter kleiner, effizienter und leistungsstärker zu machen.

„Die meisten Menschen wären wahrscheinlich überrascht zu hören, dass es in ihrem Handy etwa 30 Filter gibt, deren einziger Job es ist, Radiowellen in Schallwellen und zurück zu verwandeln“, sagt der Senior-Autor der Studie, Matt Eichenfield, der eine gemeinsame Position am UArizona College of Optical Sciences und Sandia National Laboratories in Albuquerque, New Mexico, innehat.

Als Teil der Front-End-Prozessoren wandeln diese piezoelektrischen Filter, hergestellt auf speziellen Mikrochips, mehrfach zwischen Schall- und elektrischen Wellen, jedes Mal wenn ein Smartphone Daten sendet oder empfängt. Da diese nicht aus denselben Materialien wie Silizium gefertigt werden können wie die anderen kritischen Chips im Front-End-Prozessor, ist die physische Gerätegröße viel größer als nötig, und es entstehen Verluste beim Hin- und Herwechseln zwischen Radiowellen und Schallwellen, die sich summieren und die Leistung degradieren, so Eichenfield.

„Normalerweise verhalten sich Phononen vollkommen linear, was bedeutet, sie interagieren nicht miteinander“, sagt er. „Das ist ein bisschen so, als würde man einen Laserpointer-Strahl durch einen anderen scheinen lassen; sie gehen einfach ineinander durch.“

Nichtlineare Phononik bezieht sich auf das, was in speziellen Materialien passiert, wenn Phononen miteinander interagieren können und dies auch tun. In der Arbeit demonstrierten die Forscher, was er „gigantische phononische Nichtlinearitäten“ nennt. Die synthetischen Materialien des Forschungsteams bewirkten, dass Phononen viel stärker miteinander interagieren als in konventionellen Materialien.

„In der Laserpointer-Analogie wäre das so, als würde man die Frequenz der Photonen im ersten Laserpointer ändern, wenn man den zweiten einschaltet. Als Ergebnis würde man den Strahl des ersten seine Farbe ändern sehen.“

Mit den neuen phononischen Materialien demonstrierten die Forscher, dass ein Phononenstrahl die Frequenz eines anderen ändern kann. Mehr noch: Sie zeigten, dass Phononen auf Weisen manipuliert werden können, die bisher nur mit transistorbasierter Elektronik möglich waren – bis jetzt.

Die Gruppe arbeitet auf das Ziel hin, alle für Radiofrequenz-Signalprozessoren benötigten Komponenten mittels akustischer WellentTechnologien statt transistorbasierter Elektronik auf einem einzigen Chip herzustellen, kompatibel mit Standard-Mikroprozessorfertigung – die jüngste Publikation beweist, dass dies machbar ist. Zuvor gelang es den Forschern, akustische Komponenten einschließlich Verstärker und Schalter herzustellen. Mit den in der neuesten Publikation beschriebenen akustischen Mischern haben sie das letzte Puzzleteil hinzugefügt.

„Jetzt kann man auf jeden Komponenten in einem Diagramm eines Radiofrequenz-Front-End-Prozessors zeigen und sagen: ‚Ja, ich kann all diese auf einem Chip mit akustischen Wellen machen‘“, sagt Eichenfield. „Wir sind bereit, das Ganze im akustischen Domain zu bauen.“

Alle für ein Radiofrequenz-Front-End benötigten Komponenten auf einem einzigen Chip zu haben, könnte Geräte wie Handys und andere Wireless-Kommunikationsgadgets um den Faktor 100 schrumpfen, so Eichenfield.

Materialkombination: Lithiumniobat + Indium-Gallium-Arsenid

Das Team erzielte seinen Proof of Principle, indem es einen Siliziumwafer mit einer dünnen Schicht Lithiumniobat – einem synthetischen Material, das extensiv in piezoelektrischen Geräten und Handys genutzt wird – nahm und eine ultradünne Schicht (weniger als 100 Atome dick) eines Halbleiters mit Indium-Gallium-Arsenid hinzufügte.

„Als wir diese Materialien genau richtig kombinierten, konnten wir ein neues Regime phononischer Nichtlinearität erschließen“, sagt Sandia-Ingenieurin Lisa Hackett, Lead-Autorin des Papers. „Das bedeutet, wir haben einen Pfad nach vorne, um High-Performance-Technik für Senden und Empfangen von Radiowellen zu erfinden, die kleiner ist als je zuvor möglich.“

In diesem Setup verhalten sich akustische Wellen, die durch das System wandern, nichtlinear, wenn sie durch die Materialien reisen. Dieser Effekt kann genutzt werden, um Frequenzen zu ändern und Information zu kodieren. Ein Grundpfeiler der Photonik, nichtlineare Effekte wurden lange genutzt, um Dinge wie unsichtbares Laserlicht in sichtbare Laserpointer zu verwandeln, aber die Nutzung nichtlinearer Effekte in der Phononik wurde durch Technologie- und Materiallimitierungen behindert. Zum Beispiel ist Lithiumniobat eines der nichtlinearsten phononischen Materialien, aber seine Nützlichkeit für technische Anwendungen wird dadurch behindert, dass diese Nichtlinearitäten sehr schwach sind, wenn es allein verwendet wird.

Durch Hinzufügen des Indium-Gallium-Arsenid-Halbleiters schuf Eichenfields Gruppe eine Umgebung, in der die durch das Material wandernden akustischen Wellen die Verteilung elektrischer Ladungen im Indium-Gallium-Arsenid-Halbleiterfilm beeinflussen, was die akustischen Wellen in spezifisch kontrollierbaren Weisen mischen lässt und das System für verschiedene Anwendungen öffnet.

„Die effektive Nichtlinearität, die man mit diesen Materialien erzeugen kann, ist hunderte- oder sogar tausendmal größer als zuvor möglich – das ist verrückt“, sagt Eichenfield. „Wenn man das für nichtlineare Optik könnte, würde man das Feld revolutionieren.“

Da physische Größe eine der fundamentalen Limitierungen aktueller State-of-the-Art-Radiofrequenz-Signalverarbeitungshardware ist, könnte die neue Technologie die Tür zu elektronischen Geräten öffnen, die sogar leistungsfähiger sind als ihre aktuellen Pendants, so die Autoren. Kommunikationsgeräte, die praktisch keinen Platz brauchen, bessere Signalabdeckung und längere Akkulaufzeit haben, sind am Horizont.

Quelle: University of Arizona / Sandia National Laboratories