Un equipo de ingenieros de la Universidad de Colorado Boulder, científicos de la Universidad de Arizona y de los Laboratorios Nacionales Sandia, todos en Estados Unidos ha logrado grandes avances en la generación de los terremotos más pequeños imaginables, que podría algún día ayudar a los científicos a fabricar versiones más sofisticadas de chips para teléfonos celulares y otros dispositivos inalámbricos, haciendo potencialmente esas herramientas más pequeñas, más rápidas y más eficientes. Los resultados se recogen en ‘Nature’.
El dispositivo del equipo utiliza un fenómeno conocido como ondas acústicas superficiales (SAW). Las SAW actúan de forma similar a las ondas sonoras, pero, como su nombre indica, se propagan únicamente por la capa superior del material. Los terremotos, por ejemplo, generan grandes ondas sísmicas que se propagan por la superficie del planeta, sacudiendo edificios y causando daños en el proceso. Mientras tanto, las SAW mucho, mucho más pequeñas son una parte importante de la vida moderna.
MIRA: Londres apuesta por el turismo de naturaleza con el regreso de las cigüeñas, extinguidas desde la Edad Media
“Los dispositivos SAW son fundamentales para muchas de las tecnologías más importantes del mundo”, explica Matt Eichenfield, profesor entrante de la Universidad de Colorado en Boulder, autor principal del nuevo estudio y titular de la Cátedra Gustafson de Ingeniería Cuántica en la Universidad de Colorado en Boulder. “Están presentes en todos los teléfonos móviles modernos, llaveros, abridores de puertas de garaje, la mayoría de los receptores GPS, numerosos sistemas de radar y más”.
En un teléfono inteligente, las ondas electromagnéticas (SAW) ya actúan como pequeños filtros. Las radios dentro del teléfono reciben ondas de radio provenientes de una torre celular. Luego, convierten esas señales en pequeñas vibraciones, lo que permite que los chips eliminen fácilmente las señales y el ruido no deseados. Posteriormente, el mismo dispositivo convierte esas vibraciones de nuevo en ondas de radio.
En el estudio actual, Eichenfield y su equipo desarrollaron una nueva forma de fabricar ondas de choque (SAW) mediante un láser de fonones. Funciona como un puntero láser común y corriente, con la diferencia de que genera vibraciones. “Piense en ello casi como las ondas de un terremoto, sólo que en la superficie de un pequeño chip”, agrega Alexander Wendt, estudiante de posgrado de la Universidad de Arizona y autor principal del nuevo estudio.
La mayoría de los dispositivos SAW actuales requieren dos chips diferentes y una fuente de alimentación para generar estas ondas. El dispositivo del equipo, en cambio, funciona con un solo chip y puede producir SAW a frecuencias mucho más altas con solo una batería.
Para entender cómo funciona el nuevo dispositivo SAW del equipo, es útil pensar en un láser tradicional. La mayoría de los láseres actuales, conocidos como “láseres de diodo”, funcionan haciendo rebotar un haz de luz entre dos espejos microscópicos en la superficie de un chip semiconductor. Al rebotar, la luz choca con los átomos del material semiconductor, que están sometidos a un campo eléctrico procedente de una batería u otra fuente de energía. En el proceso, esos átomos emiten aún más luz y el haz se vuelve más potente.
“Los láseres de diodo son la piedra angular de la mayoría de las tecnologías ópticas, ya que pueden funcionar con una simple batería o una fuente de voltaje, en lugar de necesitar más luz para crear el láser, como muchos tipos de láseres anteriores”, dijo Eichenfield. “Queríamos crear un análogo de ese tipo de láser, pero para las ondas sísmicas”.
Para ello, el equipo desarrolló un dispositivo que tiene forma de barra y mide aproximadamente medio milímetro de extremo a extremo. El dispositivo es una pila de materiales: en su forma final, está hecho de una oblea de silicio, el mismo material presente en la mayoría de los chips de computadora. Sobre ella hay una fina capa de un material llamado niobato de litio. El niobato de litio es un material “piezoeléctrico”, lo que significa que, al vibrar, también produce campos eléctricos oscilantes. De igual modo, cuando existen campos eléctricos oscilantes, estos crean vibraciones.
MIRA: Sophie Turner se transforma en Lara Croft en primer vistazo a la serie de “Tomb Raider”
Por último, el dispositivo incluye una capa aún más delgada de arseniuro de indio y galio, un material inusual que, cuando se expone a un campo eléctrico débil, puede acelerar los electrones a velocidades increíblemente rápidas.
En conjunto, la pila del equipo permite que las vibraciones en la superficie del niobato de litio interactúen directamente con los electrones en el arseniuro de indio y galio.
Cuando los investigadores bombean su dispositivo con una corriente eléctrica en el arseniuro de indio y galio, se forman ondas en la fina capa de niobato de litio. Esas ondas se desplazan hacia adelante, inciden en un reflector y luego retroceden, de forma similar a la luz que rebota entre dos espejos en un láser. Cada vez que esas ondas se mueven hacia adelante, se vuelven más fuertes. Cada vez que se mueven hacia atrás, se vuelven un poco más débiles
Tras varios rebotes, la onda se vuelve muy grande. El dispositivo deja escapar una pequeña cantidad de esa onda por un lado, lo que equivale a cómo la luz láser se acumula y se filtra entre sus espejos. El grupo logró generar ondas SAW que ondulaban a una velocidad de aproximadamente 1 gigahercio, o miles de millones de veces por segundo. Sin embargo, los investigadores también creen que pueden aumentar fácilmente esta frecuencia a varias decenas o incluso cientos de gigahercios.
Esta es una frecuencia mucho más alta que la de los dispositivos SAW tradicionales, que tienden a alcanzar un máximo de aproximadamente 4 gigahercios.
Eichenfield informa que el nuevo dispositivo podría dar lugar a dispositivos inalámbricos más pequeños, de mayor rendimiento y menor consumo de energía, como los teléfonos celulares. En un teléfono inteligente, por ejemplo, numerosos chips diferentes convierten las ondas de radio en SAW y viceversa varias veces cada vez que usted envía un mensaje de texto, hace una llamada o accede a Internet. Su equipo quiere agilizar ese proceso, diseñando chips individuales que puedan realizar todo ese procesamiento utilizando únicamente SAW.
“Este láser de fonones era la última ficha de dominó que teníamos que derribar”, apunta Eichenfield. “Ahora podemos fabricar literalmente todos los componentes necesarios para una radio en un solo chip usando la misma tecnología”.
Data
