Исследователи из университетов Колорадо и Аризоны, а также Национальной лаборатории Сандия (США) разработали фононный лазер на основе поверхностных акустических волн (surface acoustic wave phonon laser), который поможет создать более совершенные чипы для беспроводных устройств. Результаты работы опубликованы в журнале Nature.

Новая технология использует поверхностные акустические волны (Surface Acoustic Wave, SAW). Они похожи на звуковые, но распространяются только в верхнем слое материала и критически важны для современных смартфонов, брелоков, пультов, большинства GPS-приемников и радаров. В смартфонах SAW действуют как миниатюрные фильтры. Радиомодули преобразуют радиоволны в вибрации, позволяя отсеивать нежелательные сигналы и шум, а затем происходят обратные преобразования.

Большинство современных SAW-устройств состоит из двух отдельных чипов и источника питания. Новое же устройство работает на одном чипе и гораздо более высоких частотах, используя лишь батарею. Предложенную технологию можно сравнить с диодным лазером, где луч света отражается между двумя микроскопическими зеркалами на поверхности чипа. Свет многократно сталкивается с атомами материала в электрическое поле, атомы формируют дополнительный свет, усиливая луч. Новая разработка создает аналог диода для SAW — фононный лазер, генерирующий вибрации вместо света.

Устройство имеет форму бруска длиной около 0,5 мм. Это многослойная конструкция, в основе которой — пластинка кремния. Сверху — тонкий слой ниобата лития, пьезоэлектрика, который при вибрации генерирует колеблющиеся электрические поля. Электрические же поля вызывают вибрации пьезоэлектрика. Затем идет еще более тонкий слой индий-галлий-арсенида, где слабое электрическое поле разгоняет электроны до огромных скоростей. В такой многослойной структуре вибрации на поверхности ниобата лития взаимодействуют с электронами в верхнем слое. Усиление волн происходит в самом чипе без внешних компонентов. В этом главное отличие от традиционных решений SAW, где волны создаются с помощью интердигитальных преобразователей (Interdigital Transducer, IDT) — электродных структур на поверхности пьезоэлектрика, применение которых требует генераторов волн и электродов.

Традиционные устройства SAW в смартфонах состоят из нескольких чипов. Фононный же лазер упрощает процесс, так как всю обработку выполняет лишь один чип. Такой лазер обладает огромным потенциалом, так как чипы станут меньше, быстрее и энергоэффективнее. Авторы исследования называют его последним недостающим элементом для полностью SAW-ориентированных радиосистем на едином кристалле. Им удалось создать SAW с частотой около 1 ГГц, которую смогут увеличить до многих десятков и даже сотен ГГц по сравнению с 4 ГГц в традиционных системах. Фононный лазер открывает путь к квантовым устройствам, микрофлюидике и наноинженерии напряжений, где фононы — квазичастицы вибраций решетки — становятся аналогом фотонов в оптике.