Un séisme sur une puce : une nouvelle technologie génère de minuscules ondes, ce qui pourrait permettre de rendre les smartphones plus petits et plus rapides.
Une équipe d’ingénieurs a réalisé des progrès considérables dans la génération des plus petits séismes imaginables. Le dispositif mis au point par l’équipe, connu sous le nom de laser à phonons à ondes acoustiques de surface, pourrait un jour aider les scientifiques à fabriquer des versions plus sophistiquées des puces utilisées dans les téléphones portables et autres appareils sans fil, ce qui permettrait potentiellement de rendre ces outils plus petits, plus rapides et plus efficaces.
L’étude a été menée par Matt Eichenfield, futur professeur à l’Université du Colorado à Boulder aux Etats-Unis et des scientifiques de l’Université d’Arizona et des Laboratoires nationaux Sandia. Les chercheurs ont publié leurs résultats le 14 janvier dans la revue Nature.
Cette nouvelle technologie exploite un phénomène appelé ondes acoustiques de surface, ou OAS. Les OAS fonctionnent un peu comme les ondes sonores, mais, comme leur nom l’indique, elles ne se propagent que sur la couche supérieure d’un matériau.
Les séismes, par exemple, génèrent de puissantes ondes acoustiques de surface (OAS ou Surface Acoustic Waves, SAWs en anglais.) qui se propagent à la surface de la planète, faisant trembler les bâtiments et causant des dégâts.
Parallèlement, des OAS beaucoup plus faibles font partie intégrante de la vie moderne.
Matt Eichenfield
« Les dispositifs à ondes acoustiques de surface (SAW) sont essentiels à de nombreuses technologies parmi les plus importantes au monde », a déclaré Eichenfield, auteur principal de la nouvelle étude et titulaire de la chaire Gustafson en ingénierie quantique à l’université du Colorado à Boulder. « On les retrouve dans tous les téléphones portables modernes, les télécommandes de voiture, les ouvre-portes de garage, la plupart des récepteurs GPS, de nombreux systèmes radar, et bien d’autres dispositifs. »
Dans un smartphone, les ondes acoustiques de surface (SAW) font déjà office de petits filtres. Les modules radio à l’intérieur du téléphone reçoivent les ondes radio émises par une antenne-relais. Ils convertissent ensuite ces signaux en minuscules vibrations, ce qui permet aux puces d’éliminer facilement les signaux indésirables et le bruit. Enfin, ces mêmes modules reconvertissent ces vibrations en ondes radio.
Dans cette étude, Matt Eichenfield et son équipe ont mis au point une nouvelle méthode de fabrication d’ondes acoustiques de surface (SAW) utilisant un « laser à phonons ». Son fonctionnement est similaire à celui d’un pointeur laser classique, à la différence qu’il génère des vibrations.
« Imaginez un peu les ondes d’un tremblement de terre, mais à la surface d’un petit éclat », a déclaré Alexander Wendt, étudiant diplômé de l’Université d’Arizona et auteur principal de la nouvelle étude.
La plupart des dispositifs à ondes acoustiques de surface (SAW) actuels nécessitent deux puces distinctes et une source d’alimentation pour générer ces ondes. Le dispositif mis au point par l’équipe, en revanche, fonctionne avec une seule puce et peut potentiellement produire des SAWs à des fréquences beaucoup plus élevées, alimenté uniquement par une batterie.
Un nouveau type de laser
Pour comprendre le fonctionnement du nouveau dispositif SAW de l’équipe, il est utile de penser à un laser traditionnel.
La plupart des lasers actuels, appelés « lasers à diodes », fonctionnent en faisant rebondir un faisceau lumineux entre deux miroirs microscopiques à la surface d’une puce semi-conductrice. Lors de ces rebonds, la lumière percute les atomes du matériau semi-conducteur parcourus par un champ électrique généré par une batterie ou une autre source d’énergie. Ce faisant, ces atomes émettent davantage de lumière, ce qui augmente la puissance du faisceau.
« Les lasers à diodes sont la pierre angulaire de la plupart des technologies optiques, car ils peuvent fonctionner avec une simple batterie ou une source de tension basique, contrairement à de nombreux lasers plus anciens qui nécessitent davantage de lumière pour créer le faisceau », a expliqué Matt Eichenfield. « Nous souhaitions créer un laser analogue, mais pour les ondes acoustiques de surface (SAW). »
Pour ce faire, l’équipe a mis au point un dispositif en forme de barre mesurant environ un demi-millimètre de bout en bout.
Ce dispositif est constitué d’un empilement de matériaux : une fois finalisé, il est composé d’une plaquette de silicium, le même matériau que celui utilisé dans la plupart des puces informatiques. Sur cette plaquette se trouve une fine couche de niobate de lithium. Le niobate de lithium est un matériau piézoélectrique, ce qui signifie que lorsqu’il vibre, il produit également des champs électriques oscillants. Autrement dit, la présence de champs électriques oscillants crée des vibrations.
Enfin, le dispositif comprend une couche encore plus mince d’arséniure d’indium-gallium, un matériau inhabituel qui, lorsqu’il est soumis à un faible champ électrique, peut accélérer les électrons à des vitesses incroyablement rapides.
Au final, l’empilement mis au point par l’équipe permet aux vibrations à la surface du niobate de lithium d’interagir directement avec les électrons de l’arséniure d’indium-gallium.
Faire la vague
L’appareil fonctionne un peu comme une piscine à vagues. Lorsque les chercheurs alimentent leur dispositif avec un courant électrique dans l’arséniure d’indium-gallium, des ondes se forment dans la fine couche de niobate de lithium. Ces ondes se propagent vers l’avant, heurtent un réflecteur, puis reviennent en arrière, un phénomène similaire à la réflexion de la lumière entre deux miroirs dans un laser. À chaque propagation, ces ondes gagnent en intensité ; à chaque retour, elles s’affaiblissent légèrement.
« Il perd près de 99 % de sa puissance lorsqu’il recule, nous l’avons donc conçu pour obtenir un gain substantiel en marche avant afin de compenser cela », a déclaré Wendt.
Après plusieurs rebonds, l’onde prend une ampleur considérable. L’appareil laisse échapper une petite partie de cette onde d’un côté, ce qui est comparable à la manière dont la lumière laser s’accumule et s’échappe entre ses miroirs.
Le groupe a réussi à générer des ondes acoustiques de surface (OAS) se propageant à une fréquence d’environ 1 gigahertz, soit des milliards de fois par seconde. Les chercheurs pensent également pouvoir facilement augmenter cette fréquence jusqu’à plusieurs dizaines, voire centaines de gigahertz.
C’est une fréquence bien plus élevée que celle des dispositifs SAW traditionnels, qui plafonnent généralement à environ 4 gigahertz.
Matt Eichenfield affirme que ce nouveau dispositif pourrait permettre de créer des appareils sans fil comme les téléphones portables plus petits, plus performants et moins énergivores.
Dans un smartphone, par exemple, de nombreuses puces différentes convertissent les ondes radio en ondes acoustiques de surface (SAW) et inversement à plusieurs reprises chaque fois que vous envoyez un SMS, passez un appel ou accédez à Internet.
Son équipe souhaite rationaliser ce processus en concevant des puces uniques capables d’effectuer tout ce traitement uniquement grâce aux ondes acoustiques de surface (SAW).
« Ce laser à phonons était le dernier obstacle à surmonter », précise Matt Eichenfield. « Désormais, nous pouvons littéralement fabriquer tous les composants nécessaires à une radio sur une seule puce en utilisant la même technologie. »