De smartphone van de toekomst zou wel eens kunnen draaien op aardbevingen. Geen verwoestende tektonische schokken, maar minuscule trillingen die slimme computerchips binnenin de telefoon miljarden keren per seconde laten vibreren.
Amerikaanse onderzoekers hebben een technologie ontwikkeld die zulke mini-aardbevingen met enorme precisie kan opwekken. En dat kan veel snellere, kleinere en zuinigere elektronica opleveren. Het apparaat, een zogeheten surface acoustic wave phonon laser, wekt trillingen op die alleen over het oppervlak van een materiaal lopen. Die trillingen worden surface acoustic waves (SAW’s) genoemd en bestaan al langer, maar de manier waarop ze nu opgewekt worden, is nog nooit vertoond.
Slimme filters
SAW’s kun je zien als een soort geluidsgolven die niet door de lucht gaan, maar over het oppervlak van vaste stoffen bewegen. Grote aardbevingen veroorzaken zulke golven op wereldschaal, maar de veel kleinere variant die door de mens is bedacht, is al een tijdje onmisbaar in het dagelijks leven. “SAW-apparaten zijn cruciaal voor veel van de belangrijkste technologieën ter wereld”, zegt onderzoeksleider Matt Eichenfield van de University of Colorado Boulder. “Ze zitten in alle moderne smartphones, autosleutels, garagedeuropeners, de meeste GPS-ontvangers, radarsystemen en nog veel meer.” In je telefoon fungeren SAW’s als slimme filters. Radiosignalen van zendmasten worden omgezet in minuscule trillingen, zodat chips ongewenste ruis kunnen wegfilteren. Daarna worden die trillingen weer omgezet in radiosignalen.
Trillingslaser
Tot nu toe hadden SAW-systemen meerdere chips en een aparte energiebron nodig. Het nieuwe apparaat van Eichenfield en zijn team doet hetzelfde werk met één enkele chip en kan ook nog eens veel hogere frequenties bereiken. Deze week schrijven ze in vakblad Nature dat de nieuwe uitvinding allemaal om hun fononlaser draait. Die werkt volgens hetzelfde principe als een gewone laserpointer, maar produceert geen licht, er ontstaan alleen trillingen. “Zie het als de golven van een aardbeving, maar dan op het oppervlak van een piepkleine chip”, legt onderzoeker Alexander Wendt uit.
De nieuwe chip is ongeveer een halve millimeter lang en bestaat uit meerdere lagen. De basis van het stukje hightech is gemaakt van silicium, bekend van computerchips. Daarbovenop ligt lithiumniobaat, een piëzo-elektrisch materiaal dat trillingen kan omzetten in elektrische signalen en andersom. De bovenste laag bestaat uit indium-gallium-arsenide, een bijzonder materiaal waarin elektronen bij een kleine spanning extreem snel bewegen. Samen zorgen deze lagen ervoor dat trillingen en elektronen prachtig met elkaar kunnen samenwerken. Zodra er een elektrische stroom loopt, ontstaan er golven in het lithiumniobaat. Die kaatsen heen en weer, net als laserlicht tussen spiegels doet.
Golven op topsnelheid
Elke keer dat de golf vooruit beweegt, wordt hij sterker. Beweegt de golf achteruit, dan verliest hij bijna al zijn energie. “Hij verliest zo’n 99 procent van zijn kracht bij het terugkaatsen”, zegt Wendt. “Daarom hebben we het systeem zo ontworpen dat hij vooruit enorm veel versterking krijgt.” Na meerdere rondes ontstaat een krachtige trilling, waarvan een deel ontsnapt, net zoals licht dat uit een laser komt.
De onderzoekers haalden frequenties van ongeveer 1 gigahertz, wat miljarden trillingen per seconde betekent. En dat is nog maar het begin. Volgens Eichenfield zijn frequenties van tientallen tot zelfs honderden gigahertz haalbaar. Ter vergelijking: bestaande SAW-apparaten halen normaal gesproken niet meer dan 4 gigahertz.
Alles op één chip
Die sprong in frequentie gaat als het goed is grote gevolgen hebben voor het eindproduct. Hogere frequenties betekenen kleinere onderdelen, betere prestaties en minder energieverbruik. Precies waar smartphonefabrikanten naar op zoek zijn. Eichenfield ziet een toekomst voor zich waarin alle radiofuncties van een telefoon, die nu verspreid zijn over meerdere chips, worden samengebracht in één enkel SAW-systeem. “Met de ontwikkeling van deze fononlaser hebben we het laatste dominosteentje omver gekegeld”, zegt hij trots. “Nu kunnen we letterlijk elk onderdeel dat je nodig hebt voor een radio maken op één kleine chip, met dezelfde technologie.”
We schreven vaker over dit onderwerp, lees bijvoorbeeld ook Waarom blauw licht van je smartphone niet slecht is voor het slapen gaan en Laden we straks onze smartphone op met elektriciteit uit regendruppels?. Of lees dit artikel: Grote stap richting autonoom rijden: optische atoomklok in je smartphone maakt gps duizend keer nauwkeuriger.
Uitgelezen? Luister ook eens naar de Scientias Podcast:
