Ingenieurs hebben een baanbrekend apparaat ontwikkeld dat microscopische trillingen op een chip genereert, waardoor de fysica van aardbevingen wordt nagebootst. Deze innovatie, beschreven in een recent onderzoek van Nature, zou een revolutie teweeg kunnen brengen in de manier waarop draadloze signalen worden verwerkt, wat kan leiden tot kleinere, snellere en energiezuinigere elektronica.
Hoe het werkt: gebruik maken van oppervlakte-akoestische golven
Het apparaat, genaamd Surface Acoustic Wave (SAW) fononlaser, produceert snelle, minuscule trillingen op het oppervlak van een chip. Akoestische oppervlaktegolven (SAW’s) worden al in smartphones gebruikt als filters, waarbij radiogolven worden omgezet in mechanische trillingen om ongewenst geluid te verwijderen. De huidige systemen vereisen echter doorgaans meerdere chips en een stroombron. Dit nieuwe ontwerp heeft tot doel die functionaliteit op één enkele chip te consolideren.
Het team heeft dit bereikt door ultradunne materiaallagen op elkaar te stapelen: een siliciumbasis, lithiumniobaat (dat elektrische signalen omzet in trillingen) en indium galliumarsenide (een halfgeleider die elektronen versnelt). Het apparaat werkt door herhaaldelijk trillingen te versterken terwijl ze binnen de structuur stuiteren, vergelijkbaar met hoe lasers het licht tussen spiegels intensiveren.
“Zie het bijna als de golven van een aardbeving, alleen op het oppervlak van een kleine chip.” – Alexander Wendt, hoofdauteur van het onderzoek
Waarom dit ertoe doet: de toekomst van draadloze technologie
Het belang ligt in het potentieel om de signaalverwerking te vereenvoudigen. Tegenwoordig gebruiken telefoons meerdere chips om radiogolven om te zetten in SAW’s en weer terug. Het doel is om dit hele proces op één enkele chip te integreren, waardoor veel hogere frequenties mogelijk zijn, aangedreven door standaard smartphonebatterijen.
Hoewel SAW’s conceptueel vergelijkbaar zijn met de seismische golven die door aardbevingen worden geproduceerd, is hun schaal enorm verschillend. Het apparaat van het team genereert golven van ongeveer 1 gigahertz (miljarden trillingen per seconde) en denkt dat dit kan worden opgeschaald naar tientallen of zelfs honderden gigahertz, waarmee de mogelijkheden van de huidige SAW-apparaten, die doorgaans maximaal 4 GHz bereiken, worden overtroffen.
Impact op alledaagse apparaten
SAW-technologie is al alomtegenwoordig en voedt sleutelhangers, garagedeuropeners, GPS-ontvangers en radarsystemen. Deze nieuwe ontwikkeling is niet alleen theoretisch; het pakt een echt knelpunt in de moderne elektronica aan. Door coherente SAW’s op één enkele chip te leveren, zonder externe radiofrequentiebronnen nodig te hebben, hebben de onderzoekers een grote hindernis overwonnen.
De implicaties zijn duidelijk: toekomstige draadloze apparaten zouden signalen efficiënter kunnen filteren en routeren, minder stroom verbruiken en minder ruimte in beslag nemen. Het team is van mening dat deze “fononlaser” een cruciale stap is in de richting van volledig geïntegreerde draadloze componenten.
Het succes van dit ontwerp opent de deur naar het creëren van volledige radio’s op één enkele chip, waardoor de draadloze communicatie wordt gestroomlijnd en mogelijk de ontwikkeling van de volgende generatie mobiele technologieën wordt versneld.
