Os engenheiros deram um grande passo para produzir os menores terremotos já registrados, reduzindo as vibrações sísmicas à escala de um microchip.
A descoberta centrou-se em um dispositivo chamado laser fônon de ondas acústicas de superfície. A tecnologia poderá eventualmente alimentar smartphones e outros dispositivos eletrônicos sem fio com chips mais avançados, ajudando-os a se tornarem menores, mais rápidos e mais eficientes em termos energéticos.
A pesquisa foi liderada pelo novo membro do corpo docente da CU Boulder, Matt Eichenfield, junto com cientistas da Universidade do Arizona e dos Laboratórios Nacionais Sandia. Suas descobertas foram publicadas na edição de 14 de janeiro da revista natureza.
O que são ondas acústicas de superfície?
O novo dispositivo depende de ondas acústicas de superfície, comumente conhecidas como SAW. Essas ondas se comportam um pouco como ondas sonoras, mas em vez de viajarem pelo ar ou nas profundezas de um material, elas apenas se movem ao longo de sua superfície.
Grandes terremotos produzem naturalmente ondas sonoras superficiais poderosas que ondulam pela crosta terrestre, abalando edifícios e causando danos. Numa escala menor, as ondas acústicas de superfície já são essenciais para a tecnologia moderna.
“Os dispositivos SAW são essenciais para muitas das tecnologias mais importantes do mundo”, disse Eichenfield, autor sênior do novo estudo e titular da Cátedra Gustafson em Engenharia Quântica da Universidade do Colorado em Boulder. “Eles são encontrados em todos os telefones celulares modernos, chaveiros, abridores de portas de garagem, na maioria dos receptores GPS, em muitos sistemas de radar, etc.”
Como o SAW alimenta os smartphones
Dentro do smartphone, o SAW atua como um filtro de alta precisão. Os sinais de rádio das torres de celular são primeiro convertidos em minúsculas vibrações mecânicas. Isso permite que o chip separe sinais úteis de interferência e ruído de fundo. As vibrações limpas são então convertidas novamente em ondas de rádio.
Neste estudo, Eichenfeld e seus colegas apresentam uma nova maneira de gerar essas ondas de superfície usando o que chamam de laser de fônons. Ao contrário dos típicos ponteiros laser emissores de luz, este dispositivo produz vibrações controladas.
“Pense nisso como ondas sísmicas, mas na superfície de um pequeno chip”, disse Alexander Wendt, estudante de graduação da Universidade do Arizona e principal autor do estudo.
A maioria dos sistemas SAW existentes requerem dois chips separados e uma fonte de alimentação externa. O novo design combina tudo em um único chip e pode funcionar apenas com baterias enquanto atinge frequências mais altas.
Lasers projetados para vibração
Para entender esse novo dispositivo, é útil começar explicando como funcionam os lasers tradicionais.
Muitos lasers comuns são lasers de diodo, que produzem luz refletindo a luz entre dois pequenos espelhos em um chip semicondutor. À medida que a luz salta para frente e para trás, ela interage com átomos excitados pela corrente elétrica. Esses átomos liberam luz extra, fortalecendo o feixe.
“Os lasers de diodo são a base da maioria das tecnologias ópticas porque operam apenas com uma bateria ou uma simples fonte de tensão, em vez de exigirem mais luz para produzir luz laser como muitos lasers anteriores”, disse Eichenfeld. “Queríamos simular este laser, mas para SAW.”
Para conseguir isso, a equipe construiu um dispositivo em forma de tira com cerca de meio milímetro de comprimento.
Um monte de materiais profissionais
O dispositivo é composto por múltiplas camadas de material. É baseado em silício, o mesmo material usado na maioria dos chips de computador. Acima está uma fina camada de niobato de lítio, um material piezoelétrico. Quando o niobato de lítio vibra, ele cria campos elétricos oscilantes que também causam vibrações.
A camada final é uma folha extremamente fina de arsenieto de índio e gálio. Este material possui propriedades eletrônicas incomuns que permitem acelerar elétrons a velocidades muito altas, mesmo sob campos elétricos fracos.
Juntas, essas camadas permitem que as vibrações que se propagam ao longo da superfície do niobato de lítio interajam diretamente com os elétrons que se movem rapidamente no arsenieto de índio e gálio.
Faça ondas se formarem como lasers
Os pesquisadores descrevem o dispositivo como funcionando de forma semelhante a uma piscina de ondas.
Quando a corrente flui através do arsenieto de índio e gálio, ondas superficiais se formam na camada de niobato de lítio. Essas ondas viajam para frente, atingem o refletor e depois se movem para trás, como a luz refletida entre espelhos em um laser. Cada passagem para frente fortalece a onda, enquanto cada passagem para trás enfraquece a onda.
“Quando ele se move para trás, perde quase 99% de sua potência, então o projetamos para ganhar muito ganho à medida que avança para superar isso”, disse Winter.
Após repetidas passagens, as vibrações tornam-se fortes o suficiente para que uma parte escape pela lateral do dispositivo, semelhante à forma como um laser eventualmente sai de sua cavidade.
Ondas mais rápidas, dispositivos menores
Usando este método, a equipe gerou ondas acústicas de superfície que vibram a cerca de 1 GHz, o que significa bilhões de vibrações por segundo. Os pesquisadores acreditam que o mesmo projeto poderia atingir dezenas ou até centenas de gigahertz.
A frequência máxima dos equipamentos SAW tradicionais é geralmente cerca de 4 GHz, o que torna o novo sistema mais rápido.
Eichenfeld disse que esse avanço pode fazer com que os dispositivos sem fio se tornem menores, mais potentes e mais eficientes em termos energéticos.
Nos smartphones de hoje, vários chips convertem repetidamente ondas de rádio em SAW e vice-versa sempre que um usuário envia uma mensagem, faz uma chamada ou navega na Internet. Os pesquisadores pretendem simplificar esse processo criando um único chip que utiliza ondas acústicas de superfície para todo o processamento de sinais.
“O laser fônon é o último dominó que precisamos derrubar”, disse Eichenfeld. “Agora podemos fabricar todos os componentes necessários para um rádio em um chip usando a mesma tecnologia.”
