Группа исследователей из Университета Колорадо в Боулдере, Университета Аризоны и Sandia National Laboratories разработала фононный лазер (генератор когерентных звуковых волн), способный генерировать высокочастотные поверхностные акустические волны (ПАВ) на одном микрочипе. Эти волны, по своей природе аналогичные сейсмическим, но в микроскопическом масштабе.

Поверхностные акустические волны уже сегодня являются неотъемлемой частью радиоэлектроники. Они работают как высокоточные фильтры в каждом современном смартфоне, брелоках, GPS-приемниках и радарных системах. Их задача — преобразовывать входящие радиосигналы в механические колебания, отфильтровывать шумы и ненужные частоты, а затем снова преобразовывать их в «чистый» радиосигнал. Текущие технологии требуют для этого несколько специализированных чипов и сложную схему преобразований. Это увеличивает размер, стоимость и энергопотребление устройств.

Новое устройство, описанное в журнале Nature, решает эту проблему, объединяя все функции на одной подложке. Его структура представляет собой «сэндвич» из трех ключевых материалов: кремниевой основы, тонкого слоя пьезоэлектрического ниобата лития и сверхтонкого слоя арсенида галлия-индия. При подаче слабого электрического тока в арсениде галлия-индия электроны разгоняются до высоких скоростей и взаимодействуют с пьезоэлектрическим слоем, генерируя механические колебания (те самые ПАВ).

Принцип работы напоминает обычный лазер, но вместо света усиливаются звуковые волны. Колебания, отражаясь между специальными границами внутри чипа, резонансно усиливаются с каждым проходом. Исследователям удалось достичь частоты в 1 гигагерц и продемонстрировать потенциал для достижения десятков и даже сотен гигагерц. Это на порядки выше, чем предельная частота в 3–4 ГГц у большинства современных коммерческих ПАВ-фильтров.

Разработка открывает путь к созданию полноценного «радио на одном чипе», где весь процесс приема, фильтрации и передачи сигнала будет осуществляться механическими акустическими волнами без множественных энергозатратных преобразований. Это позволит радикально уменьшить размер и энергопотребление беспроводных модулей в смартфонах, носимой электронике и системах связи. При этом скорость и надёжность значительно вырастут.