Terremoto em um chip: Ondas sonoras são contidas dentro de um microchip

Redação do Site Inovação Tecnológica - 24/10/2024

Representação esquemática do processo usando ondas acústicas puramente longitudinais (esquerda), indicadas como flutuações de densidade no núcleo do guia de ondas, e ondas acústicas superficiais (direita), viajando pela superfície do guia de ondas.
[Imagem: Govert Neijts et al. - 10.1063/5.0220496]

Chip que acopla luz e som

Pesquisadores da Austrália e dos Países Baixos conseguiram pela primeira vez gerar e controlar ondas sonoras na superfície de um microchip.

Essas ondas acústicas, semelhantes às ondas de superfície produzidas durante um terremoto, viajam pelo chip em frequências quase um bilhão de vezes maiores do que aquelas registradas nos tremores de terra.

Ao conter a onda sonora na superfície de um chip, torna-se possível controlar sua interação com o ambiente, tornando o dispositivo perfeito para construir sensores mais precisos para várias tecnologias avançadas de detecção.

"O uso de ondas sonoras na superfície de um microchip tem aplicação em sensoriamento, processamento de sinais e tecnologia de comunicações avançadas. Agora podemos começar a pensar em novos projetos para chips que usam luz e som, em vez de eletricidade," disse o professor Moritz Merklein, da Universidade de Sydney, na Austrália.

Anteriormente, a equipe havia demonstrado a "captura" de informações de luz usando a fonônica, ou componentes eletrônicos integrados capazes de lidar com os fônons, as quasipartículas representativas das ondas sonoras. Eles chamaram aquela inovação de chip que transforma relâmpago em trovão para guardar dados.

Agora a equipe aprimorou muito o nível de controle das ondas sonoras, e por isso chamou seu trabalho de "terremoto em um chip".

Princípio básico: O laser entra no chip e sua luz é armazenada brevemente como uma onda acústica, e depois continua se propagando como luz.
[Imagem: University of Sydney Nanoscience Hub]

Espalhamento de Brillouin estimulado

A técnica usada pelos pesquisadores é conhecida como espalhamento de Brillouin estimulado, um fenômeno que emerge por um circuito de retroalimentação entre fótons (luz) e fônons (som).

Conforme a luz se move em um meio, seja uma fibra óptica ou o chip criado pelos pesquisadores, ela cria vibrações sonoras. Anteriormente vistas como um incômodo na comunicação óptica, os cientistas então perceberam que poderiam acoplar e aprimorar essas vibrações como uma nova maneira de transportar e processar informações.

"Normalmente, as ondas acústicas de superfície são 'excitadas' usando eletrônicos. Aqui usamos fotônica, ou energia luminosa, para produzir a onda sonora. Essa abordagem tem múltiplas vantagens, a principal delas sendo que a luz não produz o calor no chip que a excitação eletrônica causa," explicou Govert Neijts, da Universidade de Twente, nos Países Baixos.

O processo de retroalimentação permite que ondas de luz (geralmente produzidas por lasers) e ondas sonoras se "acoplem", aumentando o poder desse efeito. As aplicações para o espalhamento de Brillouin estimulado incluem as redes 5G/6G e de banda larga, sensores, comunicação via satélite, sistemas de radar e até mesmo radioastronomia.

(a) Seção transversal esquemática do guia de ondas. (b) Perfis do modo óptico fundamental de guias de ondas espessos (esquerda) e finos (direita).
[Imagem: Govert Neijts et al. - 10.1063/5.0220496]

Guia de ondas

Usando um vidro especial feito de germânio, arsênio e seleneto, conhecido como GeAsSe, os cientistas conseguiram obter resultados notáveis, com as medições indicando interações entre a luz e o som particularmente fortes.

Isto demonstra como lasers podem ser usados para criar e detectar ondas acústicas de superfície de alta frequência usando novos materiais que funcionam como guias de ondas.

"O material é considerado um vidro macio. Isso significa que, diferentemente de muitos materiais, ele opera como um guia para as ondas sonoras de alta frequência e as deixa interagir mais livremente com as ondas de luz que colocamos no chip," explicou o professor Merklein.

Mais tópicos