El diminuto “terremoto” que podría cambiar para siempre el tamaño de tu celular

Un equipo de ingenieros de la Universidad de Colorado Boulder, científicos de la Universidad de Arizona y de los Laboratorios Nacionales Sandia, en Estados Unidos, logró avances en la generación de los terremotos más pequeños imaginables, lo que algún día podría ayudar a fabricar versiones más sofisticadas de chips para teléfonos celulares y otros dispositivos inalámbricos, con el potencial de hacerlos más pequeños, rápidos y eficientes. Los resultados se publicaron en la revista Nature. 

Ondas acústicas superficiales: la base del avance

El dispositivo utiliza un fenómeno conocido como ondas acústicas superficiales (SAW, por sus siglas en inglés). Estas ondas actúan de forma similar a las sonoras, pero se propagan únicamente por la capa superior del material. Los terremotos, por ejemplo, generan grandes ondas sísmicas que se desplazan por la superficie del planeta, sacuden edificios y causan daños. En contraste, las SAW, mucho más pequeñas, forman parte importante de la vida moderna.

Los dispositivos SAW son fundamentales para muchas de las tecnologías más importantes del mundo”, explica Matt Eichenfield, profesor de la Universidad de Colorado en Boulder, autor principal del estudio y titular de la Cátedra Gustafson de Ingeniería Cuántica. “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 SAW funcionan como pequeños filtros. Las radios del dispositivo reciben ondas de radio provenientes de una torre celular y las convierten en vibraciones diminutas, lo que permite a los chips eliminar señales y ruido no deseados. Posteriormente, el mismo dispositivo transforma esas vibraciones de nuevo en ondas de radio. 

Un “láser” para vibraciones microscópicas

En el estudio, Eichenfield y su equipo desarrollaron una nueva forma de generar SAW mediante un láser de fonones. Funciona de manera similar a un puntero láser, con la diferencia de que produce vibraciones. “Piense en ello como ondas de un terremoto, pero en la superficie de un chip diminuto”, explica Alexander Wendt, estudiante de posgrado de la Universidad de Arizona y autor principal del estudio.

La mayoría de los dispositivos SAW actuales requieren dos chips distintos y una fuente de alimentación para generar estas ondas. En cambio, el dispositivo del equipo opera con un solo chip y puede producir SAW a frecuencias mucho más altas utilizando solo una batería.

Para entender su funcionamiento, los investigadores comparan el dispositivo con 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. Durante ese proceso, la luz interactúa con los átomos del material, que están sometidos a un campo eléctrico, lo que provoca la emisión de más luz y refuerza el haz.

Los láseres de diodo son la base de la mayoría de las tecnologías ópticas, ya que funcionan con una batería simple o una fuente de voltaje”, señala Eichenfield. “Queríamos crear un análogo de ese tipo de láser, pero para ondas sísmicas”.

Un chip ultracompacto y de alta frecuencia

El equipo desarrolló un dispositivo en forma de barra que mide aproximadamente medio milímetro de longitud. Está compuesto por una pila de materiales:

• Una oblea de silicio.
• Una capa delgada de niobato de litio, un material piezoeléctrico que genera campos eléctricos oscilantes al vibrar y, a la inversa, vibra cuando se le aplican campos eléctricos.
• Una capa aún más delgada de arseniuro de indio y galio, un material capaz de acelerar electrones a velocidades muy altas cuando se expone a un campo eléctrico débil.

En conjunto, esta estructura permite que las vibraciones en la superficie del niobato de litio interactúen directamente con los electrones del arseniuro de indio y galio.

Cuando los investigadores aplican una corriente eléctrica, se forman ondas en la capa de niobato de litio. Estas se desplazan, chocan con un reflector y regresan, de forma similar a la luz que rebota entre espejos en un láser. Con cada recorrido hacia adelante, las ondas se fortalecen; al regresar, se debilitan ligeramente.

Tras varios rebotes, la onda alcanza gran amplitud y el dispositivo libera una pequeña parte por un lado, de manera análoga a la luz que se filtra de un láser. El grupo generó ondas SAW que oscilan a una frecuencia cercana a 1 gigahercio, es decir, miles de millones de veces por segundo, y considera posible aumentar esa frecuencia a varias decenas o incluso cientos de gigahercios.

Esta cifra supera ampliamente la de los dispositivos SAW tradicionales, que suelen alcanzar un máximo de alrededor de 4 gigahercios.

 Impacto en teléfonos móviles y redes futuras

Eichenfield señala que el nuevo dispositivo podría dar lugar a equipos inalámbricos más pequeños, con mejor rendimiento y menor consumo de energía, como los teléfonos celulares. En un teléfono inteligente, distintos chips convierten repetidamente las ondas de radio en SAW y viceversa cada vez que se envía un mensaje, se realiza una llamada o se accede a internet. El objetivo del equipo es agilizar ese proceso mediante chips individuales capaces de realizar todo el procesamiento solo con SAW.

Este láser de fonones era la última ficha de dominó que necesitábamos derribar”, concluye Eichenfield. “Ahora podemos fabricar literalmente todos los componentes necesarios para una radio en un solo chip usando la misma tecnología”.

El estudio fue publicado en Nature bajo el título “Phonon lasing of surface acoustic waves” y documenta, con mediciones experimentales, la primera demostración de un láser de fonones integrado en un solo chip capaz de generar ondas acústicas superficiales coherentes a frecuencias cercanas a 1 gigahercio.

De acuerdo con los autores, el dispositivo alcanza factores de calidad (Q) del orden de 10⁴, comparables o superiores a los de resonadores SAW comerciales, y con un consumo energético significativamente menor.

Para contexto, los filtros SAW convencionales usados en teléfonos móviles operan típicamente entre 0.6 y 4 GHz y representan hasta 30% del consumo energético del sistema de radiofrecuencia del dispositivo, según datos de la industria citados por Excélsior en coberturas previas sobre tecnologías inalámbricas.

El avance abre la posibilidad de integrar filtros, osciladores y amplificadores acústicos en un solo chip, lo que podría reducir el tamaño de los módulos de radio hasta en un 50% y mejorar la eficiencia energética, un objetivo clave ante la creciente demanda de dispositivos compatibles con redes 5G y futuras 6G.

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