Смартфоны станут тоньше, а связь – лучше. Физики придумали, как выкинуть из телефона лишние детали

Инженеры научились создавать самые маленькие землетрясения, которые только можно представить, и это открытие может со временем изменить привычные нам смартфоны и беспроводные устройства. Речь идёт не о катастрофах, а о микроскопических колебаниях, которые учёные научились генерировать прямо на поверхности чипов, делая электронику компактнее, быстрее и экономичнее.

В основе разработки лежат поверхностные акустические волны, или SAW. Они похожи на звуковые волны, но распространяются только по верхнему слою материала. В реальном мире крупные SAW возникают во время землетрясений и бегут по поверхности Земли, разрушая здания. В электронике же используются их крошечные аналоги, без которых уже невозможно представить современную технику.

Такие волны давно применяются в смартфонах, брелоках автосигнализаций, пультах для гаражных ворот, GPS-приёмниках и радиолокационных системах. В телефоне они работают как фильтры. Радиомодуль принимает сигнал от базовой станции, преобразует его в микроскопические вибрации, отсекает шум и ненужные частоты, а затем снова превращает колебания в радиоволны.

Новая работа предлагает принципиально иной способ создания этих волн. Учёные разработали так называемый фононный лазер, который работает по аналогии с обычным лазером, но вместо света генерирует вибрации. По словам авторов, это похоже на волны землетрясения, только возникающие на поверхности крошечного чипа.

Современные SAW-устройства обычно требуют двух отдельных чипов и внешнего источника питания. Новая конструкция обходится одним чипом и потенциально может работать от обычной батареи, при этом создавая волны на куда более высоких частотах.

Устройство представляет собой миниатюрную структуру длиной около половины миллиметра. В её основе кремниевая подложка, сверху слой ниобата лития, обладающего пьезоэлектрическими свойствами, а затем ещё более тонкий слой арсенида индия и галлия. Последний материал позволяет электронам разгоняться до очень высоких скоростей даже при слабом электрическом поле. Такая комбинация даёт возможность напрямую связать поверхностные колебания с движением электронов.

Принцип работы напоминает волновой бассейн. При подаче тока в одном из слоёв на поверхности формируются волны, которые движутся вперёд, отражаются и возвращаются назад, как свет между зеркалами в лазере. При движении в одном направлении волна усиливается, в другом почти полностью теряет энергию, до 99%. За счёт точной инженерной настройки учёным удалось добиться устойчивого роста колебаний.

В итоге часть энергии выходит наружу, формируя полезный сигнал. В экспериментах команда уже достигла частоты около 1 ГГц, но уверена, что без особых проблем сможет поднять её до десятков или даже сотен гигагерц. Для сравнения, традиционные SAW-устройства редко превышают отметку в 4 ГГц. Такие высокие частоты открывают новые возможности для создания терагерцовых устройств.

По мнению исследователей, такая технология позволит создавать более компактные и энергоэффективные смартфоны и другие беспроводные гаджеты. Сейчас в телефоне задействовано множество чипов, которые по очереди преобразуют радиоволны в акустические и обратно при каждом звонке, сообщении или загрузке страницы.

В будущем этот процесс можно упростить, объединив все необходимые компоненты в одном чипе, работающем исключительно на поверхностных акустических волнах. Как отмечают авторы, фононный лазер стал последним недостающим элементом, после которого становится реальным создание полноценного радиомодуля на одном кристалле. Подобные разработки могут стать основой для нового поколения беспроводных устройств.