Les scientifiques de Sandia National Laboratories ont construit le plus petit et le meilleur amplificateur acoustique au monde. Et ils l'ont fait en utilisant un concept qui a été pratiquement abandonné pendant près de 50 ans.

Selon un article publié le 13 mai dans Communication Nature , l'appareil est plus de 10 fois plus efficace que les versions précédentes. La conception et les futures directions de recherche sont prometteuses pour une technologie sans fil plus petite.

Les téléphones portables modernes sont remplis de radios pour envoyer et recevoir des appels téléphoniques, SMS et données haut débit. Plus il y a de radios dans un appareil, plus il peut faire. Alors que la plupart des composants radio, y compris les amplificateurs, sont électroniques, ils peuvent potentiellement être rendus plus petits et meilleurs en tant que dispositifs acoustiques. Cela signifie qu'ils utiliseraient des ondes sonores au lieu d'électrons pour traiter les signaux radio.

"Les appareils à ondes acoustiques sont intrinsèquement compacts parce que les longueurs d'onde du son à ces fréquences sont si petites - plus petites que le diamètre des cheveux humains, ", a déclaré Lisa Hackett, scientifique de Sandia. Mais jusqu'à présent, l'utilisation d'ondes sonores a été impossible pour bon nombre de ces composants.

L'acoustique de Sandia, amplificateur 276 mégahertz, mesurant à peine 0,0008 pouce carré (0,5 millimètre carré), démontre le vaste, potentiel largement inexploité pour rendre les radios plus petites grâce à l'acoustique. Pour amplifier 2 fréquences gigahertz, qui transportent une grande partie du trafic des téléphones portables modernes, l'appareil serait encore plus petit, 0,00003 pouce carré (0,02 millimètre carré), une empreinte qui s'adapterait confortablement à l'intérieur d'un grain de sel de table et est plus de 10 fois plus petite que les technologies de pointe actuelles.

L'équipe a également créé le premier circulateur acoustique, un autre composant radio crucial qui sépare les signaux transmis et reçus. Ensemble, les petites parties représentent une voie essentiellement inexplorée pour rendre toutes les technologies qui envoient et reçoivent des informations avec des ondes radio plus petites et plus sophistiquées, a déclaré le scientifique de Sandia Matt Eichenfield.

"Nous sommes les premiers à montrer qu'il est pratique de faire passer les fonctions qui se font normalement dans le domaine électronique dans le domaine acoustique, " a déclaré Eichenfield.

Ressusciter un design vieux de plusieurs décennies

Les scientifiques ont essayé de fabriquer des amplificateurs acoustiques à radiofréquence il y a des décennies, mais les derniers grands articles universitaires issus de ces efforts ont été publiés dans les années 1970.

Sans technologies modernes de nanofabrication, leurs appareils fonctionnaient trop mal pour être utiles. Booster un signal d'un facteur 100 avec les anciens appareils nécessitait 0,4 pouce (1 centimètre) d'espace et 2, 000 volts d'électricité. Ils ont également généré beaucoup de chaleur, nécessitant plus de 500 milliwatts de puissance.

Le nouvel amplificateur amélioré est plus de 10 fois plus efficace que les versions construites dans les années 70 à plusieurs égards. Il peut augmenter la force du signal d'un facteur 100 en 0,008 pouce (0,2 millimètre) avec seulement 36 volts d'électricité et 20 milliwatts de puissance.

Des chercheurs précédents se sont retrouvés dans une impasse en essayant d'améliorer les appareils acoustiques, qui ne sont pas capables d'amplification ou de circulation par eux-mêmes, en utilisant des couches de matériaux semi-conducteurs. Pour que leur concept fonctionne bien, la matière ajoutée doit être très fine et de très haute qualité, mais les scientifiques n'avaient que des techniques pour fabriquer l'un ou l'autre.

Des décennies plus tard, Sandia a développé des techniques pour faire les deux afin d'améliorer les cellules photovoltaïques en ajoutant une série de couches minces de matériaux semi-conducteurs. Le scientifique de Sandia à la tête de cet effort partageait un bureau avec Eichenfield.

"J'ai eu une exposition périphérique assez importante. J'en ai entendu parler tout le temps dans mon bureau, " A déclaré Eichenfield. " Avance rapide probablement trois ans plus tard, Je lisais ces articles par curiosité sur ce travail d'amplificateur acousto-électrique et sur ce qu'ils essayaient de faire, et je me suis rendu compte que ce travail que Sandia avait fait pour développer ces techniques pour essentiellement prendre très, semi-conducteurs très minces et leur transfert sur d'autres matériaux était exactement ce dont nous aurions besoin pour que ces appareils réalisent toutes leurs promesses. »

Sandia a fabriqué son amplificateur avec des matériaux semi-conducteurs de 83 couches d'atomes d'épaisseur-1, 000 fois plus fin qu'un cheveu humain.

La fusion d'une couche semi-conductrice ultrafine sur un dispositif acoustique différent a nécessité un processus complexe de croissance de cristaux au-dessus d'autres cristaux, en les liant à d'autres cristaux, puis en enlevant chimiquement 99,99% des matériaux pour produire une surface de contact parfaitement lisse. Les méthodes de nanofabrication comme celle-ci sont collectivement appelées intégration hétérogène et constituent un domaine de recherche d'un intérêt croissant pour Sandia's Microsystems Engineering, Complexe scientifique et applications et dans l'ensemble de l'industrie des semi-conducteurs.

Amplificateurs, les circulateurs et les filtres sont normalement produits séparément car ce sont des technologies différentes, mais Sandia les a tous produits sur la même puce acousto-électrique. Plus il y a de technologies qui peuvent être faites sur la même puce, plus la fabrication devient simple et efficace. Les recherches de l'équipe montrent que les composants de traitement des signaux radio restants pourraient éventuellement être des extensions des dispositifs déjà démontrés.

Les travaux ont été financés par le programme de recherche et développement dirigé par le laboratoire de Sandia et le Center for Integrated Nanotechnologies, une installation utilisateur exploitée conjointement par les laboratoires nationaux Sandia et Los Alamos.

Alors combien de temps avant que ces petites pièces radio soient à l'intérieur de votre téléphone ? Probablement pas avant un moment, dit Eichenfield. Convertir en série, les produits commerciaux comme les téléphones portables à toutes les technologies acousto-électriques nécessiteraient une refonte massive de l'infrastructure de fabrication, il a dit. Mais pour les petites productions d'appareils spécialisés, la technologie est plus prometteuse dans l'immédiat.

L'équipe Sandia étudie maintenant la possibilité d'adapter sa technologie pour améliorer le traitement du signal tout optique, trop. Ils sont également intéressés à savoir si la technologie peut aider à isoler et à manipuler des quanta uniques de son, appelé phonons, ce qui le rendrait potentiellement utile pour contrôler et effectuer des mesures dans certains ordinateurs quantiques.