چه می‌شد اگر هدفون‌های بی‌سیم شما می‌توانستند همان کاری را که گوشی‌هایتان می‌کنند انجام دهند، اما بهتر از آن‌ها باشند؟ دسته جدیدی از مواد مصنوعی می‌توانند راه را برای این دستگاه‌های بی‌سیم انقلابی باز کنند. چنین دستگاه‌هایی بسیار کوچک‌تر هستند و به قدرت سیگنال و انرژی کمتری نیاز دارند. کلید دستیابی به این فناوری چیزی است که دانشمندان فونونیک (Phononic) می‌نامند.

فونونیک مانند فوتونیک است و هردو از قوانین فیزیکی مشابهی استفاده می‌کنند. با این تفاوت که فوتونیک از ذرات نور (فوتون) استفاده می‌کند، اما فونونیک از فونون‌ها. فونون‌ها شبه‌ذراتی در فیزیک هستند که ارتعاشات مکانیکی را از راه مواد منتقل می‌کنند؛ مانند صدا، اما فرکانس آن‌ها بسیار بالاتر از صدا است.

پژوهشگران دانشگاه آریزونا در یک پژوهش جدید یک قدم به کاربردهای عملی مبتنی بر فونونیک نزدیک‌تر شده‌اند. آن‌ها با ترکیب مواد بسیار ویژه نیمه‌هادی و مواد پیزوالکتریک موفق شدند تعاملات غیرخطی بزرگی میان فونون‌ها برقرار کنند. آن‌ها نتایج این پژوهش را در ژورنال Nature Materials منتشر کرده‌اند.

گوشی‌های هوشمند چیزی در حدود ۳۰ فیلتر دارند که امواج رادیویی را به امواج صوتی، و برعکس، تبدیل می‌کنند. این فیلترهای پیزوالکتریک، پردازنده‌های فرانت-اِند (سمتِ کاربر) نام دارند و یکی از اجزای لازم در دریافت و انتقال اطلاعات هستند.

چون این پردازنده‌ها نمی‌توانند از مواد مشابه چیپ‌های معمولی، مانند سیلیکون، تولید شوند، ابعاد گوشی‌های هوشمند بسیار بزرگ می‌شود. همچنین تعدد این فیلترها و تبدیل مکرر امواج باعث می‌شود تلفات داده‌ها بالا رود و عملکرد دستگاه ضعیف شود.

فناوری مواد فونونیک چگونه کار می‌کند؟

فونون‌ها معمولاً به‌صورت کاملاً خطی رفتار می‌کنند، یعنی هیچ تعاملی با یکدیگر ندارند. فونونیک غیرخطی به فرایندهای داخل مواد خاصی اشاره دارد که در آن‌ها فونون‌ها می‌توانند با یکدیگر تعامل داشته باشند.

پژوهشگران دانشگاه آریزونا موادی به‌نام «غیرخطی‌های فونونیک عظیم» ساخته‌اند. این‌ها موادی مصنوعی هستند که درون‌شان فونون‌ها بسیار قوی‌تر از مواد معمولی با یکدیگر تعامل برقرار می‌کنند.

پژوهشگران نشان دادند که در این فناوری مواد فونونیک جدید، یک پرتو فونون می‌تواند فرکانس پرتو دیگر را تغییر دهد. به‌علاوه، آن‌ها نشان دادند که فونون‌ها را می‌توان به‌گونه‌ای دستکاری کرد که پیش از این تنها در دستگاه‌های الکترونیک مبتنی بر ترانزیستور ممکن بود.

تیم پژوهشی دانشگاه آریزونا این مواد را با ترکیب مواد بسیار ویژه در دستگاه‌های میکروالکتریک ساختند. آن‌ها یک وِیفر سیلیکونی را با لایه نازکی از نیوبات لیتیم (ماده‌ای که در دستگاه‌های پیزوالکتریک و گوشی‌های هوشمند استفاده می‌شود) پوشاندند و سپس یک لایه بسیار نازک (با ضخامت کمتر از ۱۰۰ اتم) از یک نیمه‌هادی شامل آرسنید ایندیم گالیم به آن اضافه کردند.

امواج آکوستیکی که از این ماده عبور می‌کنند، توزیع بارهای الکتریکی درون پوشش نیمه‌هادی را تغییر می‌دهند. این باعث می‌شود امواج آکوستیک به‌گونه‌ای ترکیب شوند که می‌توان آن‌ها را برای کاربردهای مختلف کنترل کرد.

به این ترتیب، می‌توان تمام اجزای موردنیاز برای پردازنده‌های سیگنال‌های رادیویی را با استفاده از فناوری‌های امواج آکوستیک تولید کرد. این فناوری نیازی به مصالح الکترونیکی مبتنی بر ترانزیستور ندارد و با استانداردهای ساخت ریزپردازنده‌های استاندارد نیز سازگار است.

اینکه بتوان تمام اجزای لازم برای ساخت یک پردازنده رادیویی فرانت-اِند را روی یک چیپ ساخت، سازندگان را قادر می‌سازد تا ابعاد گوشی‌های موبایل و دیگر ابزارهای ارتباطی بی‌سیم را تا ۱۰۰ برابر کاهش دهند.