Investigadores da Universidade do Colorado (EUA) demonstraram um gerador de ondas acústicas de superfície capaz de funcionar como um laser de fônons integrado em apenas um chip. O protótipo produz vibrações mecânicas na faixa de 1 GHz que se propagam pela superfície do material de forma semelhante a um terremoto em escala microscópica, oferecendo potencial para reduzir o tamanho e o consumo de energia de sistemas de comunicação sem fios.
Dispositivo integra gerador acústico em escala micrométrica
A equipa liderada por Alexander Wendt construiu o gerador sobre uma barra de silício com meio milímetro de comprimento. Sobre essa base, foi aplicada uma camada de niobato de lítio, material piezoelétrico que converte campos elétricos oscilantes em vibrações e vice-versa. Por cima, uma película ainda mais fina de arseneto de índio e gálio acelera elétrons quando submetida a campos fracos, permitindo a interação direta entre cargas eléctricas e vibrações mecânicas.
O funcionamento replica o princípio de um laser convencional, mas com fônons em vez de fótons. As ondas acústicas de superfície avançam, refletem-se num espelho microscópico e regressam, ganhando energia em cada passagem. Após múltiplos ciclos, a amplitude torna-se suficientemente elevada para que parte da onda escape, resultando num feixe acústico coerente.
Os geradores atuais de ondas de superfície utilizam dois chips distintos e uma fonte externa para excitar as vibrações. No novo design, todos os componentes permanecem no mesmo substrato, alimentados diretamente pela bateria do dispositivo final. Essa abordagem eliminou interconexões e permitiu atingir frequências superiores às praticadas comercialmente: o protótipo opera em 1 GHz, mas os autores projetam escalabilidade para “centenas de gigahertz”, ultrapassando com folga o limite aproximado de 4 GHz dos equipamentos tradicionais.
Perspectivas para comunicações móveis mais compactas
Ondas acústicas de superfície já fazem parte do quotidiano de smartphones, onde atuam como filtros que separam sinais úteis de interferências antes de reconvertê-los em ondas de rádio. Cada etapa exige transdutores específicos, distribuídos por vários chips. A solução apresentada pela Universidade do Colorado promete reunir todos esses elementos em um único circuito, diminuindo volume e custos, ao mesmo tempo que reduz perdas de energia associadas a ligações externas.
Segundo os autores, a tecnologia pode beneficiar qualquer aparelho que converta sinais eletromagnéticos em vibrações e vice-versa, incluindo rádios de satélite, equipamentos de radar e dispositivos de Internet das Coisas. A frequência mais alta abre ainda a possibilidade de tratar larguras de banda maiores, aspecto decisivo para padrões futuros de telecomunicações.
O professor Matt Eichenfield, coautor do estudo, vê o resultado como a peça que faltava para integrar completamente um rádio em silício. “Este laser de fônons era o último dominó que precisávamos derrubar”, declarou. Com todos os componentes fabricados pela mesma técnica, fabricantes poderão, em teoria, incluir módulos de emissão e receção avançados sem recorrer a placas adicionais.
Imagem: NewsUp Brasil
Como funciona o “terremoto” no chip
Em escala macroscópica, terremotos geram ondas de Rayleigh que viajam pela superfície terrestre, movimentando solo e estruturas. No protótipo, o fenómeno é miniaturizado: vibrações elásticas percorrem a camada de niobato de lítio como ondulações num lago, mas a distâncias medidas em micrómetros. A frequência de 1 GHz significa que a superfície vibra mil milhões de vezes por segundo, convertendo constantemente energia elétrica em movimento e de regresso a eletricidade via efeito piezoelétrico.
A estrutura com múltiplas camadas garante que a energia do feixe acústico seja amplificada de forma controlada. O arseneto de índio e gálio acelera elétrons que, ao interagirem com a onda, reforçam a vibração. Esse ganho contínuo espelha o processo de emissão estimulada na óptica, onde fótons acumulam-se entre espelhos até formar luz laser. A abordagem, porém, dispensa emissores ópticos ou cavidades volumosas, integrando-se a processos padrão de fabrico de semicondutores.
Próximos passos de desenvolvimento
Os investigadores planeiam aumentar a frequência de operação, otimizar a eficiência elétrica-mecânica e testar a compatibilidade com circuitos complementares, como amplificadores e antenas em silício. Outra meta envolve validar a estabilidade do feixe acústico em condições de temperatura e vibração típicas de dispositivos móveis.
Se esses avanços se confirmarem, a integração total de receptores e transmissores num único chip poderá simplificar a produção de smartphones, wearables e sensores conectados, contribuindo para equipamentos mais leves, com autonomia prolongada e custos de fabrico inferiores.
