Matériaux phononiques révolutionnaires promettent des dispositifs sans fil plus petits et plus puissants

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

La phononique : une nouvelle voie pour les technologies sans fil

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

La clé de ces avancées réside dans la phononique, qui est similaire à la photonique. Toutes 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 les particules physiques qui transmettent les vibrations mécaniques à travers un matériau, analogues au son, mais à des fréquences bien trop élevées pour être entendues.

Étape majeure : non-linéarités phononiques géantes

Dans un article publié dans Nature Materials, des chercheurs de l'Université d'Arizona Wyant College of Optical Sciences et des Laboratoires nationaux Sandia rapportent avoir franchi une étape majeure vers des applications réelles basées sur la phononique. En combinant des matériaux semi-conducteurs hautement spécialisés et des matériaux piézoélectriques généralement pas utilisés ensemble, les chercheurs ont réussi à générer d'énormes interactions non-linéaires entre phonons. Ensemble avec des innovations précédentes démontrant des amplificateurs pour phonons utilisant les mêmes matériaux, cela ouvre la possibilité de fabriquer des dispositifs sans fil tels que smartphones ou autres émetteurs de données plus petits, plus efficaces et plus puissants.

Matt Eichenfield, auteur principal de l'étude, titulaire d'un double poste à l'UArizona College of Optical Sciences et aux Laboratoires nationaux Sandia à Albuquerque, Nouveau-Mexique : « La plupart des gens seraient probablement surpris d'apprendre qu'il y a quelque chose comme 30 filtres à l'intérieur de leur téléphone portable, dont le seul travail est de transformer les ondes radio en ondes sonores et vice versa. »

Faisant partie des processeurs front-end, ces filtres piézoélectriques, fabriqués sur des puces spéciales, convertissent entre ondes sonores et ondes électriques plusieurs fois chaque fois qu'un smartphone reçoit ou envoie des données. Parce qu'ils ne peuvent pas être faits des mêmes matériaux, comme le silicium, que les autres puces critiquelement importantes dans le processeur front-end, la taille physique de votre dispositif est bien plus grande qu'elle n'a besoin de l'être, et en cours de route, il y a des pertes dues aux allers-retours entre ondes radio et ondes sonores qui s'additionnent et dégradent la performance.

Eichenfield : « Normalement, les phonons se comportent de manière complètement linéaire, ce qui signifie qu'ils n'interagissent pas entre eux. C'est un peu comme faire passer un faisceau de pointeur laser à travers un autre ; ils se traversent simplement. »

La phononique non-linéaire fait référence à ce qui se passe dans des matériaux spéciaux quand les phonons peuvent et interagissent entre eux. Dans l'article, les chercheurs ont démontré ce qu'il appelle des « non-linéarités phononiques géantes ». Les matériaux synthétiques produits par l'équipe de recherche ont causé l'interaction des phonons entre eux beaucoup plus fortement que dans tout matériau conventionnel.

Eichenfield : « Dans l'analogie du pointeur laser, ce serait comme changer la fréquence des photons dans le premier pointeur laser quand vous allumez le second. En résultat, 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, changer la fréquence d'un autre faisceau. De plus, ils ont montré que les phonons peuvent être manipulés de façons qui ne pouvaient être réalisées qu'avec l'électronique à base de transistors — jusqu'à maintenant.

Vers un processeur RF entièrement acoustique sur une seule puce

Le groupe travaille vers l'objectif de fabriquer tous les composants nécessaires pour les processeurs de signaux radiofréquences en utilisant les technologies d'ondes acoustiques au lieu de l'électronique à base de transistors, sur une seule puce, d'une manière compatible avec la fabrication standard de microprocesseurs — la dernière publication prouve que c'est possible. Précédemment, les chercheurs ont réussi à fabriquer des composants acoustiques incluant amplificateurs et commutateurs. Avec les mélangeurs acoustiques décrits dans la dernière publication, ils ont ajouté la dernière pièce du puzzle.

Eichenfield : « Maintenant, vous pouvez pointer chaque composant dans un diagramme d'un processeur front-end radiofréquence et dire : 'Ouais, je peux faire tous ceux-là sur une puce avec des ondes acoustiques.' Nous sommes prêts à passer à la fabrication du tout dans le domaine acoustique. »

Avoir tous les composants nécessaires pour faire un front-end radiofréquence sur une seule puce pourrait réduire des dispositifs tels que les téléphones portables et autres gadgets de communication sans fil jusqu'à un facteur 100, selon Eichenfield.

Preuve de concept : combinaison lithium niobate + arseniure d'indium-gallium

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

Lisa Hackett, ingénieure Sandia, auteur principal de l'article : « Quand nous avons combiné ces matériaux de la bonne manière, nous avons pu accéder à un nouveau régime de non-linéarité phononique. Cela signifie que nous avons une voie pour inventer de la technologie haute performance pour l'envoi et la réception d'ondes radio qui est plus petite que jamais possible. »

Dans cette configuration, les ondes acoustiques se déplaçant à travers le système se comportent de manière non-linéaire quand elles traversent les matériaux. Cet effet peut être utilisé pour changer les fréquences et encoder l'information. Un aliment de base de la photonique, les effets non-linéaires ont longtemps été utilisés pour faire des choses comme la lumière laser invisible en pointeurs laser visibles, mais tirer parti des effets non-linéaires en phononique a été entravé par des limitations technologiques et matérielles. Par exemple, bien que le niobate de lithium soit l'un des matériaux phononiques non-linéaires les plus connus, son utilité pour les applications techniques est entravée par le fait que ces non-linéarités sont très faibles quand il est utilisé seul.

En ajoutant le semi-conducteur arseniure d'indium-gallium, le groupe d'Eichenfield a créé un environnement dans lequel les ondes acoustiques voyageant à travers le matériau influencent la distribution des charges électriques dans le film semi-conducteur arseniure d'indium-gallium, causant le mélange des ondes acoustiques de façons spécifiques qui peuvent être contrôlées, ouvrant le système à diverses applications.

Eichenfield : « 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 avant, ce qui est fou. Si vous pouviez faire la même chose pour la non-linéarité optique, vous révolutionneriez le domaine. »

La taille physique étant l'une des limitations fondamentales du matériel de traitement radiofréquence actuel à la pointe de la technologie, la nouvelle technologie pourrait ouvrir la porte à des dispositifs électroniques encore plus performants que leurs homologues actuels, selon les auteurs. Des dispositifs de communication qui prennentvirtuellement pas d'espace, ont une meilleure couverture de signal et une plus longue durée de vie de batterie, sont à l'horizon.

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