Поверхностно-акустический фононный лазер

Учёные создали фононный лазер, генерирующий микроскопические «землетрясения» на чипе. Это ключ к созданию однокристальных радиосистем, способных сделать смартфоны будущего меньше, мощнее и энергоэффективнее.

Инженеры совершили прорыв, научившись создавать мельчайшие «землетрятрясения» на микрочипе. Это достижение может кардинально изменить беспроводные технологии, сделав следующее поколение смартфонов меньше, быстрее и энергоэффективнее.

В центре открытия — устройство под названием поверхностно-акустический фононный лазер.

Что такое ПАВ и как они уже работают в вашем телефоне?

Устройство использует поверхностные акустические волны (ПАВ). По своей природе они похожи на сейсмические волны от землетрясений, но в миниатюре — распространяются только по поверхности материала. В современной электронике ПАВ играют ключевую роль как высокоточные фильтры.

«Устройства на ПАВ критически важны для многих ключевых технологий мира, — отмечает Эйхенфилд. — Они есть во всех современных сотовых телефонах, ключах-брелоках, GPS-приемниках и радарных системах».

В вашем смартфоне входящий радиосигнал от вышки сначала преобразуется в крошечные механические колебания (ПАВ). Это позволяет чипу отфильтровать полезный сигнал от помех. Затем очищенные колебания снова превращаются в радиоволны. Однако существующие системы требуют нескольких чипов и внешнего источника питания.

Лазер, который «светит» звуком

Новое устройство решает эту проблему, выступая в роли лазера для колебаний (фононов). Если обычный лазер генерирует когерентный свет, то фононный лазер производит усиленные и контролируемые механические вибрации.

«Представьте себе волны от землетрясения, но на поверхности крошечного чипа», — поясняет ведущий автор исследования Александр Вендт.

Конструкция вдохновлена диодными лазерами, которые работают от простой батареи. В них свет, отражаясь между зеркалами, усиливается за счет взаимодействия с возбужденными атомами. Инженеры создали акустический аналог.

Многослойный «сэндвич» для генерации волн

Устройство представляет собой стержень длиной около полмиллиметра, состоящий из трех ключевых слоев:

1. Кремниевая подложка — основа современных микросхем.
2. Тонкий слой ниобата лития — пьезоэлектрический материал, преобразующий колебания в электрическое поле и наоборот.
3. Сверхтонкая пленка арсенида галлия-индия — полупроводник с уникальными свойствами, позволяющий электронам двигаться с очень высокой скоростью.

В этой структуре поверхностные волны в ниобате лития эффективно взаимодействуют с быстрыми электронами в верхнем слое, получая от них энергию.

Принцип усиления: вперед и снова

Процесс похож на работу волнового бассейна. Когда через устройство проходит ток, в ниобате лития рождаются поверхностные волны. Они движутся вперед, отражаются от специального отражателя и идут назад, подобно свету в лазерном резонаторе. Ключевая инженерная уловка в том, что при движении вперед волна усиливается за счет взаимодействия с электронами, а при движении назад — почти полностью теряет энергию (около 99%).

«Мы спроектировали систему так, чтобы усиление при прямом ходе компенсировало эти потери», — говорит Вендт.

После множества циклов колебания становятся настолько мощными, что часть из них выходит из устройства — так рождается когерентный пучок поверхностных акустических волн.

Будущее: один чип вместо многих

Исследователям удалось генерировать ПАВ с частотой около 1 гигагерца (миллиард колебаний в секунду). При этом технология потенциально позволяет достичь десятков и даже сотен гигагерц, что намного превосходит пределы традиционных ПАВ-устройств (~4 ГГц).

Это открывает путь к радикальной миниатюризации. Сегодня в смартфоне несколько чипов заняты постоянным преобразованием радиоволн в ПАВ и обратно. Фононный лазер — последний недостающий элемент для создания единого чипа, который будет выполнять всю обработку сигналов с помощью поверхностных акустических волн.

«Это был последний пазл, которого не хватало, — заключает Эйхенфилд. — Теперь мы можем буквально создать все компоненты для радиосистемы на одном чипе, используя одну и ту же технологическую платформу».

Таким образом, микроскопические «землетрясения», прирученные в лаборатории, в недалеком будущем могут привести к появлению беспроводных устройств нового поколения — более компактных, мощных и экономичных.

Создано: 18.01.2026 07:57:20