革新的なフォノニック素材により、ワイヤレス デバイスの小型化と強力化が約束されます

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サンディア国立研究所のマット・アイチェンフィールドの研究室では、彼と彼のチームは複数のマイクロ波周波数を使用して、シリコンウェー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の特性を評価しています。 (画像:ブレット・ラッター/サンディア国立研究所)

新しいクラスの合成材料は、ワイヤレス テクノロジーの次の革命の先駆けとなる可能性があり、デバイスの小型化、必要な信号強度の低減、消費電力の削減を可能にします。

これらの進歩の鍵は、フォトニクスに似たフォノニクスにあります。どちらも同様の物理法則を利用しており、テクノロジーを進歩させる新しい方法を提供します。フォトニクスは光子を利用しますが、フォノニクスはフォノンで同じことを行います。フォノンとは、音に似た、物質を介して機械的振動を伝達する物理的な粒子ですが、周波数が高すぎて聞き取ることができません。

Nature Materials に掲載された論文で 、アリゾナ大学ワイアント光科学大学とサンディア国立研究所の研究者らは、フォノニクスに基づく現実世界への応用に向けた大きなマイルストーンをクリアしたと報告しています。高度に特殊化された半導体材料と、通常は一緒に使用されることのない圧電材料を組み合わせることで、研究者らはフォノン間に巨大な非線形相互作用を生成することができました。同じ材料を使用したフォノン用増幅器を実証したこれまでのイノベーションと併せて、スマートフォンやその他のデータ送信機などの無線デバイスをより小型、より効率的、より強力にする可能性が開かれます。

「携帯電話の中に 30 個ほどのフィルターがあり、その役割は電波を音波に変換して戻すことだけだと聞いたら、ほとんどの人はおそらく驚くでしょう」と、アリゾナ光科学大学とニューメキシコ州アルバカーキのサンディア国立研究所で兼務しているこの研究の主任著者であるマット・アイチェンフィールド氏は述べています。

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、特殊なマイクロチップ上に作られており、スマートフォンがデータを送受信するたびに音と電波の間で何度も変換を行うと同氏は述べた。これらは、フロントエンド プロセッサの他の非常に重要なチップと同じシリコンなどの材料で作ることができないため、デバイスの物理的サイズが必要以上に大きくなり、その過程で電波と音波の間を行ったり来たりすることによる損失が発生し、それが積み重なってパフォーマンスが低下する、とアイヘンフィールド氏は述べました。

「通常、フォノンは完全に線形に動作します。つまり、フォノンは相互作用しません」と彼は言う。 「これは、あるレーザー ポインター ビームを別のレーザー ポインター ビームに照射するのと似ています。ただお互いを通過するだけです。」

非線形フォノニクスとは、フォノンが相互作用する可能性があり、実際に相互作用するときに特殊な材料で何が起こるかを指すとアイケンフィールド氏は述べた。研究者らは論文の中で、同氏が「巨大なフォノニック非線形性」と呼ぶものを実証した。研究チームが製造した合成材料は、従来の材料よりもはるかに強くフォノンが相互作用するようにしました。

「レーザー ポインターで例えると、これは、2 番目のレーザー ポインターをオンにしたときに 1 番目のレーザー ポインターの光子の周波数が変化するようなものです」と彼は言いました。 「その結果、最初のビームの色が変化するのがわかります。」

研究者らは、新しいフォノニクス材料を使用して、フォノンの 1 つのビームが実際に別のビームの周波数を変化させることができることを実証しました。さらに、彼らは、これまでトランジスタベースのエレクトロニクスでのみ実現できた方法でフォノンを操作できることを示しました。

同グループは、標準的なマイクロプロセッサの製造と互換性のある方法で、トランジスタベースのエレクトロニクスの代わりに音波技術を使用して、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シングルチップ上に作成するという目標に向かって取り組んできた。最新の出版物は、それが可能であることを証明した。研究者らはこれまでに、アンプやスイッチなどの音響部品の製造に成功していた。最新の出版物で説明されているアコースティック ミキサーにより、パズルの最後のピースが追加されました。

「今では、無線周波数フロントエンドプロセッサの図にあるすべてのコンポーネントを指して、『ああ、これらすべてを音波を使って 1 つのチップ上で作ることができる』と言うことができます」とアイケンフィールド氏は語った。 「音響領域で全体のシバンを作成する準備ができています。」

アイヘンフィールド氏によると、無線周波数フロントエンドを作成するために必要なすべてのコンポーネントを単一チップ上に搭載すると、携帯電話やその他の無線通信ガジェットなどのデバイスを 100 分の 1 まで縮小できる可能性があります。

研究チームは、圧電デバイスや携帯電話で広く使用されている合成材料であるニオブ酸リチウムの薄層を備えたシリコン ウェハーに、インジウム ガリウム ヒ素を含む半導体の超薄層 (原子の厚さ 100 未満) を追加することで原理の証明を達成しました。

「これらの材料を適切な方法で組み合わせたところ、音の非線形性の新しい領域にアクセスすることができました」と、この論文の筆頭著者であるサンディアのエンジニア、リサ・ハケットは述べた。 「これは、これまで可能だったものよりも小型の電波を送受信する高性能技術を発明する道が私たちにあることを意味します。」

この設定では、システム内を移動する音波は、材料を通過するときに非線形的に動作します。このエフェクトを使用して、周波数を変更したり、情報をエンコードしたりできます。フォトニクスの定番である非線形効果は、目に見えないレーザー光などを可視レーザーポインターに変えるために長年使用されてきましたが、フォノニクスにおける非線形効果の利用は技術と材料の制限によって妨げられてきました。たとえば、ニオブ酸リチウムは知られている中で最も非線形なフォノニック材料の 1 つですが、単独で使用すると非線形性が非常に弱いため、技術的用途での有用性が妨げられます。

アイヒェンフィールドのグループは、インジウム ガリウム ヒ素半導体を追加することで、材料中を伝わる音波がインジウム ガリウム ヒ素半導体膜内の電荷分布に影響を与える環境を作り出し、制御可能な特定の方法で音波を混合させ、システムをさまざまな用途に活用できるようにしました。

「これらの材料で生成できる実効非線形性は、以前に可能であったものよりも数百倍、さらには数千倍も大きくなります。これは信じられないほどです」とアイケンフィールド氏は述べた。 「非線形光学でも同じことができれば、この分野に革命を起こすことになるでしょう。」

著者らによれば、物理的なサイズは現在の最先端の高周波処理ハードウェアの基本的な制限の 1 つであり、新技術は現在の同等品よりも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いう。実質的にスペースをとらず、信号到達範囲が向上し、バッテリー寿命が長い通信デバイスが登場する予定です。

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