Crean un láser de fonones que podría reducir el tamaño de los smartphones

Ingenieros de la Universidad de Colorado dieron un paso significativo hacia la creación de vibraciones sísmicas en miniatura, logrando reducir las vibraciones a la escala de un microchip. Este avance se centra en un dispositivo conocido como láser de fonones de onda acústica superficial, que podría permitir la fabricación de chips más avanzados para smartphones y otros dispositivos inalámbricos, haciéndolos más pequeños, rápidos y eficientes energéticamente.

La investigación fue liderada por Matt Eichenfield, un nuevo miembro del cuerpo docente de la Universidad de Colorado Boulder, junto con científicos de la Universidad de Arizona y Sandia National Laboratories. Los hallazgos fueron publicados el 14 de enero en la revista Nature.

¿Qué son las ondas acústicas superficiales?

El nuevo dispositivo se basa en ondas acústicas superficiales, comúnmente conocidas como SAWs. Estas ondas se comportan de manera similar a las ondas sonoras, pero en lugar de viajar a través del aire o en el interior de un material, se desplazan únicamente a lo largo de su superficie.

Los grandes terremotos producen ondas acústicas superficiales poderosas que se propagan por la corteza terrestre, causando temblores y daños. A una escala mucho menor, las SAWs son esenciales para la tecnología moderna.

"Los dispositivos SAW son críticos para muchas de las tecnologías más importantes del mundo", afirmó Eichenfield, autor principal del estudio y titular de la Cátedra Gustafson en Ingeniería Cuántica en CU Boulder. "Están presentes en todos los teléfonos celulares modernos, llaveros, abridores de puertas de garaje, la mayoría de los receptores GPS, muchos sistemas de radar y más".

¿Cómo alimentan las SAWs a los smartphones?

Dentro de un smartphone, las SAWs funcionan como filtros de alta precisión. Las señales de radio que llegan de una torre celular se convierten primero en pequeñas vibraciones mecánicas. Esto permite que los chips separen las señales útiles de la interferencia y el ruido de fondo. Las vibraciones limpias se convierten nuevamente en ondas de radio.

En este estudio, Eichenfield y sus colegas introdujeron una nueva forma de generar estas ondas superficiales utilizando lo que llaman un láser de fonones. A diferencia de un puntero láser típico que emite luz, este dispositivo produce vibraciones controladas.

"Piense en ello casi como las ondas de un terremoto, solo que en la superficie de un pequeño chip", comentó Alexander Wendt, estudiante de posgrado en la Universidad de Arizona y autor principal del estudio.

La mayoría de los sistemas SAW existentes requieren dos chips separados y una fuente de energía externa. El nuevo diseño combina todo en un solo chip y podría funcionar con solo una batería, alcanzando frecuencias mucho más altas.

Un láser diseñado para vibraciones

Para entender el nuevo dispositivo, es útil comenzar con el funcionamiento de los láseres convencionales. Muchos láseres cotidianos son láseres de diodo, que crean luz al rebotar entre dos pequeños espejos en un chip semiconductor. A medida que la luz se refleja de un lado a otro, interactúa con átomos energizados por una corriente eléctrica. Esos átomos liberan luz adicional, fortaleciendo el haz.

"Los láseres de diodo son la base de la mayoría de las tecnologías ópticas porque pueden funcionar con solo una batería o una fuente de voltaje simple, en lugar de necesitar más luz para crear el láser como muchos tipos anteriores de láseres", explicó Eichenfield. "Queríamos hacer un análogo de ese tipo de láser, pero para las SAWs".

Para lograr esto, el equipo construyó un dispositivo en forma de barra de aproximadamente medio milímetro de largo.

Una pila de materiales especializados

El dispositivo consiste en varias capas de materiales. En su base se encuentra el silicio, el mismo material utilizado en la mayoría de los chips de computadora. Encima de eso, hay una delgada capa de niobato de litio, un material piezoeléctrico. Cuando el niobato de litio vibra, produce campos eléctricos oscilantes, y esos campos eléctricos también pueden desencadenar vibraciones.

La capa final es una hoja extremadamente delgada de arsenuro de indio y galio. Este material tiene propiedades electrónicas inusuales y puede acelerar electrones a velocidades muy altas incluso bajo campos eléctricos débiles.

Juntas, estas capas permiten que las vibraciones que viajan a lo largo de la superficie del niobato de litio interactúen directamente con electrones de rápido movimiento en el arsenuro de indio y galio.

Generando ondas como un láser

Los investigadores describen el dispositivo como funcionando de manera similar a una piscina de olas. Cuando la corriente eléctrica fluye a través del arsenuro de indio y galio, se forman ondas superficiales en la capa de niobato de litio. Estas ondas avanzan, golpean un reflector y luego regresan, al igual que la luz que se refleja entre espejos en un láser. Cada paso hacia adelante fortalece la onda, mientras que cada paso hacia atrás la debilita.

"Pierde casi el 99% de su potencia cuando se mueve hacia atrás, así que lo diseñamos para obtener una cantidad sustancial de ganancia al moverse hacia adelante para superar eso", dijo Wendt.

Después de múltiples pasadas, las vibraciones se vuelven lo suficientemente fuertes como para que una parte escape de un lado del dispositivo, similar a cómo la luz láser eventualmente sale de su cavidad.

Ondas más rápidas, dispositivos más pequeños

Utilizando este enfoque, el equipo generó ondas acústicas superficiales vibrando a aproximadamente 1 gigaherzio, lo que significa miles de millones de oscilaciones por segundo. Los investigadores creen que el mismo diseño podría llevarse a decenas o incluso cientos de gigahercios.

Los dispositivos SAW tradicionales suelen alcanzar un máximo de alrededor de 4 gigahercios, lo que hace que el nuevo sistema sea mucho más rápido.

Eichenfield afirmó que este avance podría conducir a dispositivos inalámbricos más pequeños, potentes y eficientes energéticamente. En los smartphones actuales, múltiples chips convierten repetidamente las ondas de radio en SAWs y viceversa cada vez que los usuarios envían mensajes, realizan llamadas o navegan por internet. Los investigadores buscan simplificar ese proceso creando un solo chip que maneje todo el procesamiento de señales utilizando ondas acústicas superficiales.

"Este láser de fonones fue el último dominó que necesitábamos derribar", dijo Eichenfield. "Ahora podemos literalmente hacer cada componente que necesita un radio en un solo chip utilizando el mismo tipo de tecnología".