Materiais Fônicos Revolucionários Prometem Dispositivos Sem Fio Menores e Mais Potentes

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Fonônica: Nova Fronteira para Tecnologias Sem Fio

Nova classe de materiais sintéticos pode anunciar a próxima revolução das tecnologias sem fio, permitindo dispositivos menores, que requerem menos intensidade de sinal e usam menos energia.

A chave para estes avanços está na fonônica, similar à fotônica. Ambas aproveitam leis físicas similares e oferecem novas formas de avançar tecnologia. Enquanto fotônica aproveita fótons, fonônica faz o mesmo com fônons, que são partículas físicas que transmitem vibrações mecânicas através de material, akin a som, mas em frequências altas demais para ouvir.

Marco: Interações Não-Lineares Gigantes entre Fônons

Em artigo publicado na Nature Materials, pesquisadores da University of Arizona Wyant College of Optical Sciences e Sandia National Laboratories relatam marco importante rumo a aplicações reais baseadas em fonônica. Combinando materiais semicondutores altamente especializados e materiais piezoelétricos não tipicamente usados juntos, pesquisadores geraram interações não-lineares gigantes entre fônons. Juntamente com inovações anteriores demonstrando amplificadores para fônons usando mesmos materiais, isso abre possibilidade de tornar dispositivos sem fio como smartphones ou outros transmissores de dados menores, mais eficientes e mais potentes.

"A maioria das pessoas provavelmente ficaria surpresa ao ouvir que há algo como 30 filtros dentro do celular, cujo único trabalho é transformar ondas de rádio em ondas sonoras e vice-versa," disse autor sênior do estudo, Matt Eichenfield, que ocupa cargo conjunto na UArizona College of Optical Sciences e Sandia National Laboratories em Albuquerque, Novo México.

Parte dos processadores front-end, estes filtros piezoelétricos, feitos em microchips especiais, convertem entre ondas sonoras e elétricas múltiplas vezes cada vez que smartphone recebe ou envia dados. Como não podem ser feitos dos mesmos materiais, como silício, que outros chips criticamente importantes no processador front-end, o tamanho físico do dispositivo é muito maior do que precisa ser, e ao longo do caminho há perdas indo e voltando entre ondas de rádio e sonoras que se acumulam e degradam desempenho, disse Eichenfield.

"Normalmente, fônons se comportam de forma completamente linear, significando que não interagem entre si," disse ele. "É como apontar um ponteiro laser através de outro; eles apenas passam um pelo outro."

Fonônica não-linear refere-se ao que acontece em materiais especiais quando fônons podem e interagem entre si, disse Eichenfield. No artigo, pesquisadores demonstraram o que ele chama de "não-linearidades fônicas gigantes." Materiais sintéticos produzidos pela equipe causaram fônons a interagir entre si muito mais fortemente que em qualquer material convencional.

"Na analogia do ponteiro laser, isso seria como mudar a frequência dos fótons no primeiro ponteiro laser quando você liga o segundo," disse ele. "Como resultado, você veria o feixe do primeiro mudando de cor."

Com novos materiais fônicos, pesquisadores demonstraram que um feixe de fônons pode, de fato, mudar a frequência de outro. Mais que isso, mostraram que fônons podem ser manipulados de formas que só podiam ser realizadas com eletrônica baseada em transistores — até agora.

O grupo tem trabalhado rumo ao objetivo de fazer todos componentes necessários para processadores de sinal de radiofrequência usando tecnologias de onda acústica em vez de eletrônica baseada em transistores, em um único chip, de forma compatível com fabricação padrão de microprocessadores — a publicação mais recente prova que pode ser feito. Anteriormente, pesquisadores conseguiram fazer componentes acústicos incluindo amplificadores e chaves. Com misturadores acústicos descritos na publicação mais recente, adicionaram a última peça do quebra-cabeça.

"Agora, você pode apontar para cada componente em diagrama de processador front-end de radiofrequência e dizer: 'Sim, posso fazer todos estes em um chip com ondas acústicas,'" disse Eichenfield. "Estamos prontos para passar a fazer o todo no domínio acústico."

Ter todos componentes necessários para fazer front-end de radiofrequência em um único chip poderia encolher dispositivos como celulares e outros gadgets de comunicação sem fio em até fator de 100, segundo Eichenfield.

Prova de Conceito: Estrutura de Materiais

A equipe realizou sua prova de princípio pegando wafer de silício com camada fina de niobato de lítio — material sintético usado extensivamente em dispositivos piezoelétricos e celulares — e adicionou camada ultra-fina (menos de 100 átomos de espessura) de semicondutor contendo arseneto de índio e gálio.

"Quando combinamos estes materiais da forma certa, fomos capazes de acessar novo regime de não-linearidade fônica," disse engenheira da Sandia Lisa Hackett, autora principal do artigo. "Isso significa que temos caminho à frente para inventar tecnologia de alto desempenho para enviar e receber ondas de rádio que é menor do que jamais foi possível."

Nesta configuração, ondas acústicas movendo-se pelo sistema se comportam de forma não-linear quando viajam pelos materiais. Este efeito pode ser usado para mudar frequências e codificar informação. Um elemento básico da fotônica, efeitos não-lineares longamente usados para fazer coisas como luz laser invisível em ponteiros laser visíveis, mas aproveitar efeitos não-lineares em fonônica foi dificultado por limitações em tecnologia e materiais. Por exemplo, enquanto niobato de lítio é um dos materiais fônicos não-lineares mais conhecidos, sua utilidade para aplicações técnicas é dificultada pelo fato de que essas não-linearidades são muito fracas quando usado sozinho.

Adicionando semicondutor arseneto de índio-gálio, grupo de Eichenfield criou ambiente onde ondas acústicas viajando pelo material influenciam distribuição de cargas elétricas no filme semicondutor arseneto de índio-gálio, causando mistura das ondas acústicas de formas específicas que podem ser controladas, abrindo sistema para várias aplicações.

"A não-linearidade efetiva que você pode gerar com estes materiais é centenas ou até milhares de vezes maior que era possível antes, o que é louco," disse Eichenfield. "Se você pudesse fazer o mesmo para óptica não-linear, revolucionaria o campo."

Com tamanho físico sendo uma das limitações fundamentais do hardware atual de processamento de radiofrequência de ponta, nova tecnologia pode abrir porta para dispositivos eletrônicos ainda mais capazes que seus equivalentes atuais, segundo autores. Dispositivos de comunicação que ocupam virtualmente nenhum espaço, têm melhor cobertura de sinal e maior duração de bateria, estão no horizonte.

Fonte: University of Arizona / Sandia National Laboratories