این فناوری می‌تواند راه را برای دستگاه‌های بی‌سیم کوچک‌تر و نیرومندتر باز کند_اصفهانیا

چه می‌شد اگر هدفون‌های بی‌سیم شما می‌توانستند همان کاری را که تلفنهایتان می‌کنند انجام بدهند، اما بهتر از آن‌ها باشند؟ دسته جدیدی از مواد مصنوعی می‌توانند راه را برای این دستگاه‌های بی‌سیم انقلابی باز کنند. این چنین دستگاه‌هایی زیاد کوچک‌تر می باشند و به قوت سیگنال و انرژی کمتری نیاز دارند. کلید دستیابی به این فناوری چیزی است که دانشمندان فونونیک (Phononic) می‌نامند.

فونونیک همانند فوتونیک است و هردو از قوانین فیزیکی شبیهی منفعت گیری می‌کنند. با این تفاوت که فوتونیک از ذرات نور (فوتون) منفعت گیری می‌کند، اما فونونیک از فونون‌ها. فونون‌ها شبه‌ذراتی در فیزیک می باشند که ارتعاشات مکانیکی را از راه مواد منتقل می‌کنند؛ همانند صدا، اما فرکانس آن‌ها زیاد بالاتر از صدا است.

پژوهشگران دانشگاه آریزونا در یک پژوهش تازه یک قدم به کاربردهای عملی مبتنی بر فونونیک نزدیک‌تر شده‌اند. آن‌ها با ترکیب مواد زیاد اختصاصی نیمه‌هادی و مواد پیزوالکتریک موفق شدند تعامل های غیرخطی بزرگی بین فونون‌ها برقرار کنند. آن‌ها نتایج این پژوهش را در ژورنال Nature Materials انتشار کرده‌اند.

تلفنهای هوشمند چیزی در نزدیک به ۳۰ فیلتر دارند که امواج رادیویی را به امواج صوتی، و برعکس، تبدیل می‌کنند. این فیلترهای پیزوالکتریک، پردازنده‌های فرانت-اِند (سمتِ کاربر) نام دارند و یکی از اجزای ملزوم در دریافت و انتقال اطلاعات می باشند.

چون این پردازنده‌ها نمی توانند از مواد شبیه چیپ‌های معمولی، همانند سیلیکون، تشکیل شوند، ابعاد تلفنهای هوشمند زیاد بزرگ می‌شود. این چنین تعدد این فیلترها و تبدیل مکرر امواج علتمی‌شود تلفات داده‌ها بالا رود و کارکرد دستگاه ضعیف شود.

فناوری مواد فونونیک چطور کار می‌کند؟

فونون‌ها طبق معمولً به‌صورت کاملاً خطی حرکت می‌کنند، یعنی هیچ تعاملی با یکدیگر ندارند. فونونیک غیرخطی به فرایندهای داخل مواد خاصی اشاره دارد که در آن‌ها فونون‌ها می‌توانند با یکدیگر تعامل داشته باشند.

پژوهشگران دانشگاه آریزونا موادی به‌نام «غیرخطی‌های فونونیک عظیم» ساخته‌اند. این‌ها موادی مصنوعی می باشند که درون‌شان فونون‌ها زیاد نیرومندتر از مواد معمولی با یکدیگر تعامل برقرار می‌کنند.

پژوهشگران نشان دادند که در این فناوری مواد فونونیک تازه، یک پرتو فونون می‌تواند فرکانس پرتو دیگر را تحول دهد. به‌علاوه، آن‌ها نشان دادند که فونون‌ها را می‌توان به‌طوری دستکاری کرد که پیش از این تنها در دستگاه‌های الکترونیک مبتنی بر ترانزیستور ممکن می بود.

تیم پژوهشی دانشگاه آریزونا این مواد را با ترکیب مواد زیاد اختصاصی در دستگاه‌های میکروالکتریک ساختند. آن‌ها یک وِیفر سیلیکونی را با لایه نازکی از نیوبات لیتیم (ماده‌ای که در دستگاه‌های پیزوالکتریک و تلفنهای هوشمند منفعت گیری می‌شود) پوشاندند و سپس یک لایه زیاد نازک (با ضخامت کمتر از ۱۰۰ اتم) از یک نیمه‌هادی شامل آرسنید ایندیم گالیم به آن اضافه کردند.

امواج آکوستیکی که از این ماده عبور می‌کنند، توزیع بارهای الکتریکی درون پوشش نیمه‌هادی را تحول خواهند داد. این علتمی‌شود امواج آکوستیک به‌طوری ترکیب شوند که می‌توان آن‌ها را برای کاربردهای گوناگون کنترل کرد.

به این ترتیب، می‌توان همه اجزای موردنیاز برای پردازنده‌های سیگنال‌های رادیویی را با منفعت گیری از فناوری‌های امواج آکوستیک تشکیل کرد. این فناوری نیازی به مصالح الکترونیکی مبتنی بر ترانزیستور ندارد و با استانداردهای ساخت ریزپردازنده‌های استاندارد نیز سازگار است.

این که بتوان همه اجزای ملزوم برای ساخت یک پردازنده رادیویی فرانت-اِند را روی یک چیپ ساخت، سازندگان را قادر می‌سازد تا ابعاد تلفنهای موبایل و دیگر ابزارهای ارتباطی بی‌سیم را تا ۱۰۰ برابر افت دهند.