Wetenschappers van Sandia National Laboratories hebben 's werelds kleinste en beste akoestische versterker gebouwd. En ze deden het met behulp van een concept dat bijna 50 jaar lang bijna verlaten was.

Volgens een paper gepubliceerd op 13 mei in Natuurcommunicatie , het apparaat is meer dan 10 keer effectiever dan de eerdere versies. De ontwerp- en toekomstige onderzoeksrichtingen zijn veelbelovend voor kleinere draadloze technologie.

Moderne mobiele telefoons zitten boordevol radio's om telefoongesprekken te verzenden en te ontvangen, sms-berichten en snelle gegevens. Hoe meer radio's in een apparaat, hoe meer het kan. Hoewel de meeste radiocomponenten, inclusief versterkers, zijn elektronisch, ze kunnen potentieel kleiner en beter worden gemaakt als akoestische apparaten. Dit betekent dat ze geluidsgolven zouden gebruiken in plaats van elektronen om radiosignalen te verwerken.

"Akoestische golfapparaten zijn inherent compact omdat de golflengten van geluid bij deze frequenties zo klein zijn - kleiner dan de diameter van mensenhaar, "Sandia-wetenschapper Lisa Hackett zei. Maar tot nu toe, het gebruik van geluidsgolven was voor veel van deze componenten onmogelijk.

Sandia's akoestische, 276 megahertz versterker, het meten van slechts 0,0008 vierkante inch (0,5 vierkante millimeter), toont de enorme, grotendeels onbenut potentieel om radio's kleiner te maken door middel van akoestiek. Om 2 gigahertz-frequenties te versterken, die veel van het moderne mobiele telefoonverkeer vervoeren, het apparaat zou nog kleiner zijn, 0.00003 vierkante inch (0,02 vierkante millimeter), een voetafdruk die comfortabel in een korreltje tafelzout zou passen en meer dan 10 keer kleiner is dan de huidige state-of-the-art technologieën.

Het team creëerde ook de eerste akoestische circulatiepomp, nog een cruciale radiocomponent die verzonden en ontvangen signalen scheidt. Samen, de kleine delen vertegenwoordigen een in wezen onbekend pad om alle technologieën die informatie verzenden en ontvangen met radiogolven kleiner en geavanceerder te maken, zei Sandia-wetenschapper Matt Eichenfield.

"We zijn de eersten die laten zien dat het praktisch is om de functies die normaal in het elektronische domein worden gedaan, in het akoestische domein te maken, ' zei Eichenfield.

Een decennia oud ontwerp nieuw leven inblazen

Wetenschappers probeerden decennia geleden akoestische radiofrequentieversterkers te maken, maar de laatste grote academische papers van deze inspanningen werden gepubliceerd in de jaren zeventig.

Zonder moderne nanofabricagetechnologieën, hun apparaten presteerden te slecht om bruikbaar te zijn. Het versterken van een signaal met een factor 100 met de oude apparaten vereiste 0,4 inch (1 centimeter) ruimte en 2, 000 volt elektriciteit. Ze produceerden ook veel warmte, die meer dan 500 milliwatt aan stroom nodig hebben.

De nieuwe en verbeterde versterker is op een aantal manieren meer dan 10 keer zo effectief als de versies die in de jaren '70 zijn gebouwd. Het kan de signaalsterkte verhogen met een factor 100 in 0,008 inch (0,2 millimeter) met slechts 36 volt elektriciteit en 20 milliwatt vermogen.

Eerdere onderzoekers kwamen op een doodlopende weg bij het verbeteren van akoestische apparaten, die op zichzelf niet in staat zijn tot versterking of circulatie, door lagen van halfgeleidermaterialen te gebruiken. Om hun concept goed te laten werken, het toegevoegde materiaal moet zeer dun en van zeer hoge kwaliteit zijn, maar wetenschappers hadden alleen technieken om het een of het ander te maken.

Decennia later, Sandia ontwikkelde technieken om beide te doen om fotovoltaïsche cellen te verbeteren door een reeks dunne lagen halfgeleidend materiaal toe te voegen. De Sandia-wetenschapper die die inspanning leidde, deelde toevallig een kantoor met Eichenfield.

"Ik had behoorlijk zware perifere blootstelling. Ik hoorde er de hele tijd over in mijn kantoor, "Zei Eichenfield. "Zo snel vooruit waarschijnlijk drie jaar later, Ik las deze kranten uit nieuwsgierigheid naar dit akoestisch-elektrische versterkerwerk en las over wat ze probeerden te doen, en ik realiseerde me dat dit werk dat Sandia had gedaan om deze technieken te ontwikkelen om in wezen zeer, zeer dunne halfgeleiders en het overbrengen ervan op andere materialen was precies wat we nodig hadden om deze apparaten hun belofte waar te maken."

Sandia maakte zijn versterker met halfgeleidermaterialen die 83 lagen atomen dik zijn-1, 000 keer dunner dan een mensenhaar.

Het samensmelten van een ultradunne halfgeleidende laag op een ongelijk akoestisch apparaat vergde een ingewikkeld proces van het groeien van kristallen bovenop andere kristallen, ze aan weer andere kristallen hechten en vervolgens 99,99% van de materialen chemisch verwijderen om een ​​perfect glad contactoppervlak te produceren. Nanofabricagemethoden zoals deze worden gezamenlijk heterogene integratie genoemd en zijn een onderzoeksgebied van groeiend belang bij Sandia's Microsystems Engineering, Wetenschap en toepassingen complex en in de halfgeleiderindustrie.

versterkers, circulatiepompen en filters worden normaal gesproken afzonderlijk geproduceerd omdat het verschillende technologieën zijn, maar Sandia produceerde ze allemaal op dezelfde akoestisch-elektrische chip. Hoe meer technologieën op dezelfde chip gemaakt kunnen worden, hoe eenvoudiger en efficiënter de productie wordt. Het onderzoek van het team toont aan dat de resterende componenten voor de verwerking van radiosignalen mogelijk kunnen worden gemaakt als uitbreidingen van de apparaten die al zijn gedemonstreerd.

Het werk werd gefinancierd door Sandia's Laboratory Directed Research and Development-programma en het Centre for Integrated Nanotechnologies, een gebruikersfaciliteit die gezamenlijk wordt beheerd door de nationale laboratoria van Sandia en Los Alamos.

Dus hoe lang duurt het voordat deze kleine radio-onderdelen in je telefoon zitten? Waarschijnlijk niet voor een tijdje, aldus Eichenfield. Het omzetten van in massa geproduceerde, commerciële producten zoals mobiele telefoons tot alle akoestisch-elektrische technologie zou een enorme herziening van de productie-infrastructuur vereisen, hij zei. Maar voor kleine producties van gespecialiseerde apparaten, de technologie houdt meer directe belofte in.

Het Sandia-team onderzoekt nu of ze hun technologie kunnen aanpassen om de volledig optische signaalverwerking te verbeteren. te. Ze zijn ook geïnteresseerd in het uitzoeken of de technologie kan helpen bij het isoleren en manipuleren van enkele geluidskwanta, genaamd fononen, wat het mogelijk nuttig zou maken voor het besturen en uitvoeren van metingen in sommige kwantumcomputers.