Los científicos de Sandia National Laboratories han construido el mejor y más pequeño amplificador acústico del mundo. Y lo hicieron utilizando un concepto que estuvo prácticamente abandonado durante casi 50 años.

Según un artículo publicado el 13 de mayo en Comunicaciones de la naturaleza , el dispositivo es más de 10 veces más eficaz que las versiones anteriores. El diseño y las direcciones de investigación futuras son prometedoras para la tecnología inalámbrica más pequeña.

Los teléfonos móviles modernos están equipados con radios para enviar y recibir llamadas telefónicas, mensajes de texto y datos de alta velocidad. Cuantas más radios en un dispositivo, cuanto más puede hacer. Si bien la mayoría de los componentes de radio, incluyendo amplificadores, son electrónicos, potencialmente pueden hacerse más pequeños y mejores como dispositivos acústicos. Esto significa que usarían ondas sonoras en lugar de electrones para procesar señales de radio.

"Los dispositivos de ondas acústicas son intrínsecamente compactos porque las longitudes de onda del sonido en estas frecuencias son muy pequeñas, más pequeñas que el diámetro del cabello humano, "Dijo Lisa Hackett, científica de Sandia. Pero hasta ahora, El uso de ondas sonoras ha sido imposible para muchos de estos componentes.

La acústica de Sandia, Amplificador de 276 megahercios, midiendo apenas 0,0008 pulgadas cuadradas (0,5 milímetros cuadrados), demuestra lo vasto, potencial en gran parte sin explotar para hacer radios más pequeñas a través de la acústica. Para amplificar frecuencias de 2 gigahercios, que transportan gran parte del tráfico de teléfonos móviles modernos, el dispositivo sería aún más pequeño, 0,00003 pulgadas cuadradas (0,02 milímetros cuadrados), una huella que cabría cómodamente dentro de un grano de sal de mesa y es más de 10 veces más pequeña que las tecnologías de vanguardia actuales.

El equipo también creó el primer circulador acústico, otro componente de radio crucial que separa las señales transmitidas y recibidas. Juntos, las partes pequeñas representan un camino esencialmente inexplorado para hacer que todas las tecnologías que envían y reciben información con ondas de radio sean más pequeñas y más sofisticadas, dijo el científico de Sandia Matt Eichenfield.

"Somos los primeros en demostrar que es práctico realizar las funciones que normalmente se realizan en el dominio electrónico en el dominio acústico, "Dijo Eichenfield.

Resucitando un diseño de décadas

Los científicos intentaron fabricar amplificadores acústicos de radiofrecuencia hace décadas, pero los últimos artículos académicos importantes de estos esfuerzos se publicaron en la década de 1970.

Sin tecnologías modernas de nanofabricación, sus dispositivos funcionaron demasiado mal para ser útiles. Impulsar una señal en un factor de 100 con los dispositivos antiguos requería 0,4 pulgadas (1 centímetro) de espacio y 2, 000 voltios de electricidad. También generaban mucho calor, requiriendo más de 500 milivatios de potencia.

El amplificador nuevo y mejorado es más de 10 veces más efectivo que las versiones construidas en los años 70 en algunos aspectos. Puede aumentar la intensidad de la señal en un factor de 100 en 0,008 pulgadas (0,2 milímetros) con solo 36 voltios de electricidad y 20 milivatios de potencia.

Investigadores anteriores llegaron a un callejón sin salida al intentar mejorar los dispositivos acústicos, que no son capaces de amplificación o circulación por sí mismos, mediante el uso de capas de materiales semiconductores. Para que su concepto funcione bien, el material añadido debe ser muy fino y de muy alta calidad, pero los científicos solo tenían técnicas para hacer uno u otro.

Décadas después Sandia desarrolló técnicas para hacer ambas cosas con el fin de mejorar las células fotovoltaicas mediante la adición de una serie de capas delgadas de materiales semiconductores. El científico de Sandia que dirigía ese esfuerzo compartía una oficina con Eichenfield.

"Tuve una exposición periférica bastante intensa. Lo escuché todo el tiempo en mi oficina, ", Dijo Eichenfield." Un avance rápido probablemente tres años después, Estaba leyendo estos artículos por curiosidad sobre este trabajo de amplificador acústico-eléctrico y leyendo sobre lo que intentaron hacer, y me di cuenta de que este trabajo que Sandia había hecho para desarrollar estas técnicas para esencialmente tomar muy, semiconductores muy delgados y transferirlos a otros materiales era exactamente lo que necesitaríamos para que estos dispositivos cumplieran todas sus promesas ".

Sandia fabricó su amplificador con materiales semiconductores que tienen 83 capas de átomos de espesor:1, 000 veces más delgado que un cabello humano.

Fusionar una capa semiconductora ultrafina en un dispositivo acústico diferente requirió un intrincado proceso de crecimiento de cristales sobre otros cristales, uniéndolos a otros cristales y luego quitando químicamente el 99,99% de los materiales para producir una superficie de contacto perfectamente lisa. Los métodos de nanofabricación como este se denominan colectivamente integración heterogénea y son un área de investigación de creciente interés en Sandia's Microsystems Engineering, Ciencia y aplicaciones complejas y en toda la industria de semiconductores.

Amplificadores, Los circuladores y filtros se producen normalmente por separado porque son tecnologías diferentes, pero Sandia los produjo todos en el mismo chip acústico-eléctrico. Cuantas más tecnologías se puedan hacer en el mismo chip, la fabricación se vuelve más simple y eficiente. La investigación del equipo muestra que los componentes restantes de procesamiento de señales de radio podrían concebirse como extensiones de los dispositivos ya demostrados.

El trabajo fue financiado por el programa de Investigación y Desarrollo Dirigido por Laboratorios de Sandia y el Centro de Nanotecnologías Integradas, una instalación para usuarios operada conjuntamente por los laboratorios nacionales Sandia y Los Alamos.

Entonces, ¿cuánto tiempo hasta que estas pequeñas piezas de radio estén dentro de su teléfono? Probablemente no por un tiempo Dijo Eichenfield. Conversión de producidos en masa, productos comerciales como teléfonos móviles para toda la tecnología acústico-eléctrica requerirían una revisión masiva de la infraestructura de fabricación, él dijo. Pero para pequeñas producciones de dispositivos especializados, la tecnología tiene una promesa más inmediata.

El equipo de Sandia ahora está explorando si pueden adaptar su tecnología para mejorar el procesamiento de señales totalmente ópticas. también. También están interesados ​​en averiguar si la tecnología puede ayudar a aislar y manipular cuantos únicos de sonido, llamados fonones, lo que potencialmente lo haría útil para controlar y realizar mediciones en algunas computadoras cuánticas.