革新的フォノニック材料、より小型・高性能なワイヤレスデバイスを約束

エレクトロニクス＆センサ INSIDER

Sandia国立研究所のMatt Eichenfield研究室で、彼とチームが複数のマイクロ波周波数を用いて、シリコンウェハ上に構築した非線形フォノニックミキシングデバイスを特性評価。（画像：Bret Latter/Sandia国立研究所）

新しいクラスの合成材料が、ワイヤレステクノロジーの次なる革命を告げる可能性があり、デバイスをより小型化し、必要信号強度を減らし、消費電力を低減できます。

これらの進歩の鍵はフォノニクスにあり、これはフォトニクスに似ています。両者は類似の物理法則を利用し、テクノロジーを前進させる新たな方法を提供します。フォトニクスが光子を利用するのに対し、フォノニクスはフォノン（物質を通じて機械的振動を伝える物理粒子、音に似ているが、人間の耳には聞こえないほど高い周波数）で同じことを実現します。

『Nature Materials』誌に掲載された論文で、アリゾナ大学Wyant光学科学大学とSandia国立研究所の研究者たちは、フォノニクスに基づく実用応用に向けた主要なマイルストーンをクリアしたと報告しています。通常一緒に使用されない高度に特殊化した半導体材料と圧電材料を組み合わせることで、研究者たちはフォノン間の巨大な非線形相互作用を生成することに成功。フォノン用増幅器を同じ材料で実証した以前の革新と合わせて、スマートフォンなどのワイヤレスデバイスやその他のデータ送信機を、より小型、より効率的、より強力にする可能性が開かれました。

「ほとんどの人は、携帯電話の中に30個ほどのフィルタがあり、それらの唯一の仕事が電波を音波に、そしてまた戻すことだとは驚くでしょう」と、論文の上席著者で、アリゾナ大学光学科学大学とニューメキシコ州アルバカーキのSandia国立研究所の共同任命を持つMatt Eichenfield氏は述べています。

フロントエンドプロセッサの一部であるこれらの圧電フィルタは、特別なマイクロチップ上に作られ、スマートフォンがデータを送受信するたびに、音波と電気波の間で複数回変換を行います。これらは、フロントエンドプロセッサの他の極めて重要なチップと同じ材料（シリコンなど）で作れないため、デバイスの物理的サイズは必要以上に大きくなり、電波と音波の往復による損失が積み重なり性能を低下させるとEichenfield氏は説明します。

「通常、フォノンは完全に線形に振る舞い、互いに相互作用しません」と氏。「レーザーポインタのビームを別のビームに通すようなもので、互いに素通りするだけです。」

非線形フォノニクスとは、特別な材料においてフォノンが互いに相互作用し得る、そして実際に相互作用する現象を指すとEichenfield氏。論文では、研究者たちが「巨大フォノニック非線形性」と呼ぶものを実証しました。研究チームが作製した合成材料により、フォノンが従来材料よりもはるかに強く相互作用するようになりました。

「レーザーポインタの例えで言えば、第2のレーザーポインタをオンにしたとき、第1のレーザーポインタの光子の周波数が変わるようなものです」と氏。「その結果、第1のビームの色が変わるのが見えるでしょう。」

新しいフォノニクス材料により、研究者たちは1つのフォノンビームが別のフォノンビームの周波数を変えられることを実証。さらに、フォノンがトランジスタベースのエレクトロニクスでしか実現できなかった方法で操作できることも示しました。

グループは、無線周波数信号プロセッサに必要なすべてのコンポーネントを、トランジスタベースのエレクトロニクスではなく音響波技術を用いて、標準マイクロプロセッサ製造と互換性のある方法で、単一チップ上に作るという目標に向かって取り組んできました。最新の論文は、それが可能であることを証明しました。以前、研究者たちは増幅器やスイッチなどの音響コンポーネントの作製に成功。最新論文で説明される音響ミキサーにより、パズルの最後のピースが加わりました。

「今、無線周波数フロントエンドプロセッサの図のすべてのコンポーネントを指して、『はい、これらすべてを音響波で1チップ上に作れます』と言えます」とEichenfield氏。「音響ドメインで全体を作る次の段階に進む準備ができました。」

無線周波数フロントエンドに必要なすべてのコンポーネントを1チップ上に作れることで、携帯電話やその他のワイヤレス通信ガジェットを最大100分の1に縮小できるとEichenfield氏は述べています。

チームは、リチウムニオブ酸塩の薄層（圧電デバイスと携帯電話で広く使用される合成材料）を持つシリコンウェハを取り、インジウムガリウムヒ素を含む半導体の超薄層（100原子層未満）を追加することで、概念実証を成し遂げました。

「これらの材料を適切な方法で組み合わせたとき、フォノニック非線形性の新しい領域にアクセスできました」と、論文の筆頭著者であるSandiaエンジニアのLisa Hackett氏。「これまで以上に小型な、高性能な電波送受信テクノロジーを発明する道筋ができました。」

このセットアップでは、システムを通過する音響波が材料を通過する際に非線形に振る舞います。この効果を用いて周波数を変更し、情報をエンコードできます。フォトニクスの定石である非線形効果は、不可視レーザー光を可視レーザーポインタに変えるなどに長く使用されてきましたが、フォノニクスでの非線形効果活用は、テクノロジーと材料の限界によって妨げられてきました。例えば、リチウムニオブ酸塩は最も非線形なフォノニック材料の一つとして知られていますが、単独で使用するとそれらの非線形性が技術用途では非常に弱いため、有用性が阻害されています。

インジウムガリウムヒ素半導体を追加することで、Eichenfieldグループは、材料を通過する音響波がインジウムガリウムヒ素半導体薄膜の電荷分布に影響を与え、音響波が制御可能な特定の方法で混合する環境を作り出し、システムをさまざまな応用に開きました。

「これらの材料で生成できる実効非線形性は、以前可能だったものより数百倍、場合によっては数千倍大きい。これはクレイジーです」とEichenfield氏。「同じことが非線形光学でできれば、その分野に革命をもたらすでしょう。」

物理的サイズが現在の最先端無線周波数処理ハードウェアの根本的制限の一つであることを考えると、新技術は現在の対応物よりさらに高性能な電子デバイスへの扉を開く可能性があると著者たちは述べています。事実上スペースを取らない、より良い電波カバレッジと長いバッテリ寿命を持つ通信デバイスが地平線上に見えています。

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