Les matériaux phononiques révolutionnaires promettent des appareils sans fil plus petits et plus puissants

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Dans le laboratoire de Matt Eichenfield aux Sandia National Laboratories, lui et son équipe utilisent plusieurs fréquences micro-ondes pour caractériser un dispositif de mélange phononique non linéaire qu'ils ont construit sur une plaquette de silicium. (Image :Bret Latter/Laboratoires nationaux Sandia)

Une nouvelle classe de matériaux synthétiques pourrait annoncer la prochaine révolution des technologies sans fil, permettant aux appareils d'être plus petits, de nécessiter moins de puissance de signal et de consommer moins d'énergie.

La clé de ces avancées réside dans la phononique, qui s’apparente à la photonique. Les deux tirent parti de lois physiques similaires et offrent de nouvelles façons de faire progresser la technologie. Alors que la photonique tire parti des photons, la phononique fait de même avec les phonons, qui sont des particules physiques qui transmettent des vibrations mécaniques à travers un matériau, semblables au son, mais à des fréquences beaucoup trop élevées pour être entendues.

Dans un article publié dans Nature Materials , des chercheurs du Wyant College of Optical Sciences de l'Université de l'Arizona et des Sandia National Laboratories rapportent avoir franchi une étape majeure vers des applications du monde réel basées sur la phononique. En combinant des matériaux semi-conducteurs hautement spécialisés et des matériaux piézoélectriques qui ne sont généralement pas utilisés ensemble, les chercheurs ont pu générer des interactions non linéaires géantes entre phonons. Avec les innovations précédentes démontrant des amplificateurs pour phonons utilisant les mêmes matériaux, cela ouvre la possibilité de rendre les appareils sans fil tels que les smartphones ou autres émetteurs de données plus petits, plus efficaces et plus puissants.

"La plupart des gens seraient probablement surpris d'apprendre qu'il y a environ 30 filtres à l'intérieur de leur téléphone portable, dont le seul travail est de transformer les ondes radio en ondes sonores et inversement", a déclaré l'auteur principal de l'étude, Matt Eichenfield, qui occupe un poste conjoint au Collège des sciences optiques de l'UArizona et aux Laboratoires nationaux Sandia à Albuquerque, au Nouveau-Mexique.

Faisant partie des processeurs frontaux, ces filtres piézoélectriques, fabriqués sur des micropuces spéciales, effectuent la conversion entre le son et les ondes électriques plusieurs fois à chaque fois qu'un smartphone reçoit ou envoie des données, a-t-il expliqué. Parce qu'ils ne peuvent pas être fabriqués à partir des mêmes matériaux, comme le silicium, que les autres puces d'une importance cruciale dans le processeur frontal, la taille physique de votre appareil est beaucoup plus grande qu'elle ne devrait l'être, et en cours de route, il y a des pertes dues aux allers-retours entre les ondes radio et les ondes sonores qui s'additionnent et dégradent les performances, a déclaré Eichenfield.

"Normalement, les phonons se comportent de manière complètement linéaire, ce qui signifie qu'ils n'interagissent pas les uns avec les autres", a-t-il expliqué. "C'est un peu comme faire passer un faisceau de pointeur laser à travers un autre ; ils se croisent simplement."

La phononique non linéaire fait référence à ce qui se passe dans des matériaux spéciaux lorsque les phonons peuvent interagir et interagissent les uns avec les autres, a déclaré Eichenfield. Dans cet article, les chercheurs ont démontré ce qu'il appelle des « non-linéarités phononiques géantes ». Les matériaux synthétiques produits par l'équipe de recherche ont amené les phonons à interagir les uns avec les autres beaucoup plus fortement que dans n'importe quel matériau conventionnel.

"Dans l'analogie avec le pointeur laser, cela reviendrait à changer la fréquence des photons du premier pointeur laser lorsque vous allumez le second", a-t-il déclaré. "En conséquence, vous verriez le faisceau du premier changer de couleur."

Avec les nouveaux matériaux phononiques, les chercheurs ont démontré qu’un faisceau de phonons peut en fait modifier la fréquence d’un autre faisceau. De plus, ils ont montré que les phonons peuvent être manipulés d'une manière qui ne pouvait être réalisée qu'avec une électronique à transistors, jusqu'à présent.

Le groupe s'efforce de réaliser tous les composants nécessaires aux processeurs de signaux radiofréquences utilisant des technologies d'ondes acoustiques au lieu de composants électroniques à transistors, sur une seule puce, d'une manière compatible avec la fabrication standard de microprocesseurs - la dernière publication prouve que cela est possible. Auparavant, les chercheurs avaient réussi à fabriquer des composants acoustiques, notamment des amplificateurs et des commutateurs. Avec les mélangeurs acoustiques décrits dans la dernière publication, ils ont ajouté la dernière pièce du puzzle.

"Maintenant, vous pouvez pointer chaque composant dans un schéma d'un processeur frontal radiofréquence et dire :'Oui, je peux réaliser tout cela sur une seule puce avec des ondes acoustiques'", a déclaré Eichenfield. "Nous sommes prêts à passer à tout cela dans le domaine acoustique."

Selon Eichenfield, disposer de tous les composants nécessaires pour créer un frontal radiofréquence sur une seule puce pourrait réduire la taille des appareils tels que les téléphones portables et autres gadgets de communication sans fil jusqu'à un facteur 100.

L'équipe a réalisé sa preuve de principe en prenant une plaquette de silicium avec une fine couche de niobate de lithium — un matériau synthétique largement utilisé dans les appareils piézoélectriques et les téléphones portables — et en ajoutant une couche ultra-fine (moins de 100 atomes d'épaisseur) d'un semi-conducteur contenant de l'arséniure d'indium et de gallium.

"Lorsque nous avons combiné ces matériaux de la bonne manière, nous avons pu accéder à un nouveau régime de non-linéarité phononique", a déclaré Lisa Hackett, ingénieure chez Sandia et auteur principal de l'article. "Cela signifie que nous avons une voie à suivre pour inventer une technologie haute performance permettant d'envoyer et de recevoir des ondes radio plus petites que jamais."

Dans cette configuration, les ondes acoustiques se déplaçant dans le système se comportent de manière non linéaire lorsqu'elles traversent les matériaux. Cet effet peut être utilisé pour modifier les fréquences et coder des informations. Élément essentiel de la photonique, les effets non linéaires ont longtemps été utilisés pour transformer des éléments tels que la lumière laser invisible en pointeurs laser visibles, mais l'exploitation des effets non linéaires en phononique a été entravée par les limitations de la technologie et des matériaux. Par exemple, bien que le niobate de lithium soit l'un des matériaux phononiques les plus non linéaires connus, son utilité pour les applications techniques est entravée par le fait que ces non-linéarités sont très faibles lorsqu'elles sont utilisées seules.

En ajoutant le semi-conducteur à l'arséniure d'indium et de gallium, le groupe d'Eichenfield a créé un environnement dans lequel les ondes acoustiques traversant le matériau influencent la répartition des charges électriques dans le film semi-conducteur à l'arséniure d'indium et de gallium, provoquant le mélange des ondes acoustiques de manière spécifique qui peut être contrôlée, ouvrant ainsi le système à diverses applications.

"La non-linéarité effective que vous pouvez générer avec ces matériaux est des centaines, voire des milliers de fois plus grande que ce qui était possible auparavant, ce qui est fou", a déclaré Eichenfield. "Si vous pouviez faire la même chose pour l'optique non linéaire, vous révolutionneriez le domaine."

La taille physique étant l’une des limites fondamentales du matériel de traitement des radiofréquences de pointe actuel, la nouvelle technologie pourrait ouvrir la porte à des appareils électroniques encore plus performants que leurs homologues actuels, selon les auteurs. Des appareils de communication qui ne prennent pratiquement pas de place, offrent une meilleure couverture du signal et une durée de vie de la batterie plus longue se profilent à l'horizon.

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