Μια ομάδα μηχανικών από αμερικανικά πανεπιστήμια και τα Εθνικά Εργαστήρια Sandia στις Ηνωμένες Πολιτείες ανέπτυξε μια τεχνική δημιουργίας μικροσκοπικών σεισμών επάνω σε ένα μικροτσίπ, εξέλιξη που θα μπορούσε να επαναπροσδιορίσει τον τρόπο κατασκευής των smartphones.

Οι ερευνητές παρουσίασαν, με δημοσίευσή τους στο επιστημονικό περιοδικό Nature, μια νέα μέθοδο παραγωγής εξαιρετικά μικρών δονήσεων, οι οποίες προσομοιάζουν μικροσκοπικούς σεισμούς.

Στο επίκεντρο της μελέτης βρίσκεται μια συσκευή γνωστή ως λέιζερ φωνονίων επιφανειακών ακουστικών κυμάτων. Το φωνόνιο αποτελεί το μικρότερο πακέτο ενέργειας σε κυματική μορφή που προστίθεται ή αφαιρείται για τη διαμόρφωση ενός ήχου ο οποίος διαδίδεται μέσα σε ένα στερεό σώμα. Στο μέλλον, η συγκεκριμένη τεχνολογία θα μπορούσε να υποστηρίξει την ανάπτυξη πιο εξελιγμένων μικροτσίπ για κινητά τηλέφωνα και άλλες ασύρματες ηλεκτρονικές συσκευές, καθιστώντας τες μικρότερες, ταχύτερες και ενεργειακά αποδοτικότερες.

Η συσκευή βασίζεται σε ένα φυσικό φαινόμενο που είναι γνωστό ως επιφανειακά ακουστικά κύματα. Τα κύματα αυτά μοιάζουν με τα ηχητικά κύματα, με τη διαφορά ότι δεν διαδίδονται στο εσωτερικό του υλικού, αλλά κινούνται αποκλειστικά κατά μήκος της επιφάνειάς του.

Οι δονήσεις

Κατά τη διάρκεια ενός σεισμού, μεγάλα επιφανειακά ακουστικά κύματα εξαπλώνονται στην επιφάνεια της Γης, προκαλώντας δονήσεις και καταστροφές στις κατασκευές. Σε πολύ μικρότερη κλίμακα, ωστόσο, τα επιφανειακά ακουστικά κύματα αποτελούν ήδη βασικό στοιχείο της σύγχρονης τεχνολογίας.

«Οι συσκευές επιφανειακών ακουστικών κυμάτων είναι κρίσιμες για πολλές από τις σημαντικότερες τεχνολογίες παγκοσμίως. Υπάρχουν σε όλα τα σύγχρονα smartphones, σε τηλεχειριστήρια αυτοκινήτων, ανοιχτήρια γκαράζ, στους περισσότερους δέκτες GPS, σε πολλά ραντάρ και σε πλήθος άλλων εφαρμογών», αναφέρει ο Ματ Έϊκενφιλντ.

Στο εσωτερικό ενός smartphone, τα επιφανειακά ακουστικά κύματα λειτουργούν ως φίλτρα υψηλής ακρίβειας. Οι ραδιοδέκτες λαμβάνουν σήματα από σταθμούς βάσης και τα μετατρέπουν σε μικροσκοπικές μηχανικές δονήσεις. Οι δονήσεις αυτές επιτρέπουν στα τσιπ να απομακρύνουν ανεπιθύμητα σήματα και θόρυβο, πριν το καθαρό σήμα μετατραπεί ξανά σε ραδιοκύματα για επικοινωνία.

Η τεχνολογία

Οι ερευνητές ανέπτυξαν έναν νέο τρόπο παραγωγής επιφανειακών ακουστικών κυμάτων μέσω ενός «λέιζερ φωνονίων». Η λειτουργία του μοιάζει με αυτή ενός συμβατικού λέιζερ, με τη διαφορά ότι αντί για φως παράγει δονήσεις. «Μπορεί κανείς να το φανταστεί σαν τα κύματα ενός σεισμού, αλλά πάνω στην επιφάνεια ενός μικροσκοπικού τσιπ», εξηγεί ο Αλεξάντερ Γουέντ, μεταπτυχιακός φοιτητής στο Πανεπιστήμιο της Αριζόνα και κύριος συγγραφέας της μελέτης.

Οι περισσότερες σύγχρονες συσκευές επιφανειακών ακουστικών κυμάτων απαιτούν δύο ξεχωριστά τσιπ και εξωτερική πηγή ενέργειας για τη δημιουργία των κυμάτων. Αντίθετα, η νέα συσκευή λειτουργεί με ένα μόνο τσιπ και μπορεί δυνητικά να παράγει κύματα σε πολύ υψηλότερες συχνότητες, χρησιμοποιώντας απλώς μια μπαταρία.

Για την κατανόηση της λειτουργίας της, βοηθά η σύγκριση με ένα κλασικό λέιζερ. Τα σύγχρονα λέιζερ βασίζονται στην ανάκλαση μιας δέσμης φωτός μεταξύ δύο μικροσκοπικών καθρεφτών πάνω σε ένα ημιαγωγικό τσιπ. Καθώς το φως ανακλάται, αλληλεπιδρά με άτομα του υλικού υπό την επίδραση ηλεκτρικού πεδίου, παράγοντας επιπλέον φως και ενισχύοντας τη δέσμη.

Η ερευνητική ομάδα επιχείρησε να δημιουργήσει ένα αντίστοιχο σύστημα, αλλά για επιφανειακά ακουστικά κύματα. Για τον σκοπό αυτό σχεδίασε μια συσκευή σε μορφή ράβδου, μήκους περίπου μισού χιλιοστού.

Τα υλικά

Η συσκευή αποτελείται από μια πολυστρωματική διάταξη. Στη βάση βρίσκεται υπόστρωμα πυριτίου, παρόμοιο με εκείνα που χρησιμοποιούνται στα περισσότερα μικροτσίπ. Πάνω του τοποθετείται ένα λεπτό στρώμα νιοβικού λιθίου, ενός πιεζοηλεκτρικού υλικού που παράγει ηλεκτρικά πεδία όταν δονείται και αντίστροφα. Ακολουθεί ένα ακόμη λεπτότερο στρώμα αρσενιδίου ινδίου και γαλλίου, υλικού που επιταχύνει τα ηλεκτρόνια σε εξαιρετικά υψηλές ταχύτητες ακόμη και με ασθενές ηλεκτρικό πεδίο. Η διάταξη αυτή επιτρέπει στις δονήσεις της επιφάνειας του νιοβικού λιθίου να αλληλεπιδρούν άμεσα με τα ηλεκτρόνια στο ανώτερο στρώμα.

Η συσκευή λειτουργεί σαν πισίνα κυμάτων. Όταν τροφοδοτείται με ηλεκτρικό ρεύμα, σχηματίζονται κύματα στο στρώμα του νιοβικού λιθίου, τα οποία κινούνται μπρος-πίσω, ανακλώνται και ενισχύονται, όπως ακριβώς το φως σε ένα λέιζερ. Μετά από πολλαπλές ανακλάσεις, το κύμα γίνεται ιδιαίτερα ισχυρό και ένα μικρό μέρος του εξέρχεται από τη συσκευή.

Η ομάδα κατάφερε να δημιουργήσει επιφανειακά ακουστικά κύματα συχνότητας περίπου 1 GHz, δηλαδή δισεκατομμύρια ταλαντώσεις ανά δευτερόλεπτο. Εκτιμά, ωστόσο, ότι μπορούν να επιτευχθούν εύκολα συχνότητες δεκάδων ή ακόμη και εκατοντάδων GHz, πολύ υψηλότερες από αυτές των σημερινών συσκευών. Οι ερευνητές θεωρούν ότι η τεχνολογία αυτή θα μπορούσε να οδηγήσει σε μικρότερες, αποδοτικότερες και χαμηλότερης κατανάλωσης ασύρματες συσκευές, όπως τα κινητά τηλέφωνα.

Διαβάστε ακόμη 

Τι σημαίνει η απόφαση του Αρείου Πάγου για τους δανειολήπτες του νόμου Κατσέλη

ΒΟΑΚ: «Κλείδωσε» η μοιρασιά στο έργο – Στρατηγικοί εταίροι της ΓΕΚ ΤΕΡΝΑ η Aktor και η Metlen

Το μαντήλι-ποσέτ: ένα μικρό ύφασμα με μεγάλη ιστορία που κάνει πάντα τη διαφορά

Για όλες τις υπόλοιπες ειδήσεις της επικαιρότητας μπορείτε να επισκεφτείτε το Πρώτο Θέμα