Material Phononic Revolusioner Menjanjikan Perangkat Nirkabel yang Lebih Kecil dan Bertenaga

INSIDER Elektronik &Sensor

Di laboratorium Matt Eichenfield di Sandia National Laboratories, dia dan timnya menggunakan beberapa frekuensi gelombang mikro untuk mengkarakterisasi perangkat pencampur fononik nonlinier yang mereka buat di atas wafer silikon. (Gambar:Bret Latter/Laboratorium Nasional Sandia)

Bahan sintetis kelas baru dapat menandai revolusi teknologi nirkabel berikutnya, yang memungkinkan perangkat menjadi lebih kecil, memerlukan lebih sedikit kekuatan sinyal, dan menggunakan lebih sedikit daya.

Kunci dari kemajuan ini terletak pada fononik, yang mirip dengan fotonik. Keduanya memanfaatkan hukum fisika yang serupa dan menawarkan cara-cara baru untuk memajukan teknologi. Meskipun fotonik memanfaatkan foton, fononik melakukan hal yang sama dengan fonon, yaitu partikel fisik yang mengirimkan getaran mekanis melalui suatu material, mirip dengan suara, tetapi pada frekuensi yang terlalu tinggi untuk didengar.

Dalam makalah yang diterbitkan di Bahan Alam , para peneliti di Fakultas Ilmu Optik Universitas Arizona Wyant dan Laboratorium Nasional Sandia melaporkan pencapaian besar menuju aplikasi dunia nyata berdasarkan fononik. Dengan menggabungkan bahan semikonduktor yang sangat terspesialisasi dan bahan piezoelektrik yang biasanya tidak digunakan bersama-sama, para peneliti mampu menghasilkan interaksi nonlinier raksasa antar fonon. Bersama dengan inovasi sebelumnya yang mendemonstrasikan amplifier untuk fonon yang menggunakan bahan yang sama, hal ini membuka kemungkinan untuk membuat perangkat nirkabel seperti ponsel cerdas atau pemancar data lainnya menjadi lebih kecil, lebih efisien, dan lebih bertenaga.

“Kebanyakan orang mungkin akan terkejut mendengar bahwa ada sekitar 30 filter di dalam ponsel mereka, yang tugas utamanya adalah mengubah gelombang radio menjadi gelombang suara dan sebaliknya,” kata penulis senior studi tersebut, Matt Eichenfield, yang bekerja sama di UArizona College of Optical Sciences dan Sandia National Laboratories di Albuquerque, New Mexico.

Bagian dari prosesor front-end, filter piezoelektrik ini, dibuat pada microchip khusus, mengkonversi antara gelombang suara dan listrik beberapa kali setiap kali smartphone menerima atau mengirim data, katanya. Karena ini tidak dapat dibuat dari bahan yang sama, seperti silikon, seperti chip penting lainnya dalam prosesor front-end, ukuran fisik perangkat Anda jauh lebih besar dari yang seharusnya, dan seiring berjalannya waktu, terdapat kerugian akibat bolak-balik antara gelombang radio dan gelombang suara yang menambah dan menurunkan kinerja, kata Eichenfield.

“Biasanya, fonon berperilaku linier sepenuhnya, artinya mereka tidak berinteraksi satu sama lain,” katanya. "Ini seperti menyinari sinar penunjuk laser ke sinar penunjuk laser lainnya; keduanya hanya menembus satu sama lain."

Fononik nonlinier mengacu pada apa yang terjadi pada material khusus ketika fonon dapat dan memang berinteraksi satu sama lain, kata Eichenfield. Dalam makalah tersebut, para peneliti mendemonstrasikan apa yang disebutnya sebagai "nonlinier fononik raksasa". Bahan sintetis yang diproduksi oleh tim peneliti menyebabkan fonon berinteraksi satu sama lain jauh lebih kuat dibandingkan bahan konvensional mana pun.

“Dalam analogi penunjuk laser, ini seperti mengubah frekuensi foton pada penunjuk laser pertama saat Anda menyalakan penunjuk laser kedua,” katanya. "Sebagai hasilnya, Anda akan melihat sinar dari yang pertama berubah warna."

Dengan bahan fononik baru, para peneliti menunjukkan bahwa satu berkas fonon sebenarnya dapat mengubah frekuensi berkas lain. Terlebih lagi, mereka menunjukkan bahwa fonon dapat dimanipulasi dengan cara yang hanya dapat diwujudkan dengan elektronik berbasis transistor — hingga saat ini.

Kelompok ini telah berupaya mencapai tujuan untuk membuat semua komponen yang diperlukan untuk pemroses sinyal frekuensi radio menggunakan teknologi gelombang akustik, bukan elektronik berbasis transistor, dalam satu chip, dengan cara yang kompatibel dengan manufaktur mikroprosesor standar — publikasi terbaru membuktikan bahwa hal tersebut dapat dilakukan. Sebelumnya para peneliti berhasil membuat komponen akustik termasuk amplifier dan saklar. Dengan mixer akustik yang dijelaskan dalam publikasi terbaru, mereka telah menambahkan potongan terakhir dari teka-teki.

“Sekarang, Anda dapat menunjuk setiap komponen dalam diagram prosesor front-end frekuensi radio dan berkata, 'Ya, saya dapat membuat semua ini dalam satu chip dengan gelombang akustik,'” kata Eichenfield. "Kami siap untuk beralih ke pembuatan keseluruhan dalam domain akustik."

Memiliki semua komponen yang diperlukan untuk membuat front-end frekuensi radio dalam satu chip dapat menyusutkan perangkat seperti ponsel dan gadget komunikasi nirkabel lainnya sebanyak 100 kali lipat, menurut Eichenfield.

Tim tersebut menyelesaikan pembuktian prinsipnya dengan mengambil wafer silikon dengan lapisan tipis lithium niobate — bahan sintetis yang banyak digunakan dalam perangkat piezoelektrik dan telepon seluler — dan menambahkan lapisan ultra-tipis (tebalnya kurang dari 100 atom) dari semikonduktor yang mengandung indium gallium arsenide.

“Ketika kami menggabungkan materi-materi ini dengan cara yang tepat, kami dapat mengakses rezim nonlinier fononik yang baru,” kata insinyur Sandia, Lisa Hackett, penulis utama makalah tersebut. "Ini berarti kita memiliki jalur ke depan untuk menciptakan teknologi berperforma tinggi untuk mengirim dan menerima gelombang radio yang lebih kecil dari yang pernah ada."

Dalam pengaturan ini, gelombang akustik yang bergerak melalui sistem berperilaku nonlinier ketika merambat melalui material. Efek ini dapat digunakan untuk mengubah frekuensi dan menyandikan informasi. Pokok dari fotonik, efek nonlinier telah lama digunakan untuk membuat hal-hal seperti sinar laser yang tidak terlihat menjadi penunjuk laser yang terlihat, namun memanfaatkan efek nonlinier dalam fonik telah terhambat oleh keterbatasan teknologi dan material. Misalnya, meskipun litium niobate adalah salah satu bahan fonik nonlinier yang paling dikenal, kegunaannya untuk aplikasi teknis terhambat oleh fakta bahwa bahan nonlinier tersebut sangat lemah bila digunakan sendiri.

Dengan menambahkan semikonduktor indium-gallium arsenida, kelompok Eichenfield menciptakan lingkungan di mana gelombang akustik yang merambat melalui material mempengaruhi distribusi muatan listrik dalam film semikonduktor indium galium arsenida, menyebabkan gelombang akustik bercampur dengan cara tertentu yang dapat dikontrol, sehingga membuka sistem untuk berbagai aplikasi.

“Nonlinier efektif yang dapat Anda hasilkan dengan bahan-bahan ini ratusan atau bahkan ribuan kali lebih besar dibandingkan sebelumnya, dan ini sungguh gila,” kata Eichenfield. "Jika Anda dapat melakukan hal yang sama untuk optik nonlinier, Anda akan merevolusi bidang ini."

Dengan ukuran fisik yang menjadi salah satu keterbatasan mendasar dari perangkat keras pemrosesan frekuensi radio yang canggih saat ini, teknologi baru ini dapat membuka pintu bagi perangkat elektronik yang bahkan lebih mampu dibandingkan perangkat yang ada saat ini, menurut penulis. Perangkat komunikasi yang tidak memakan banyak ruang, memiliki jangkauan sinyal lebih baik, dan masa pakai baterai lebih lama, akan segera hadir.

Sumber