Mikroskopische Erdbeben könnten die Zukunft der Smartphone-Chips sein

Bei Erdbeben entstehen sogenannte seismische Oberflächenwellen (SAWs), die so stark sind, dass sie sogar Häuser einstürzen lassen. Sie funktionieren ähnliche wie herkömmliche Schallwellen. Die Erdbebenwellen haben aber eine viel niedrigere, sodass man sie nicht mit den Ohren hört, sondern man spürt sie als Erschütterung.

In einem sehr kleinen Maßstab werden solche Effekte auch in unseren Geräten genutzt. Jedes Mal, wenn wir eine WhatsApp-Nachricht oder einen Anruf erhalten, finden im Inneren unseres Smartphones dann mikroskopisch kleine „Erdbeben“ statt, über die Signale übertragen werden. Laut dem Forscher Alexander Wendt kann man sie sich „wie die Wellen eines Erdbebens vorstellen, nur auf der Oberfläche eines kleinen Chips“. 

Grundsätzlich sind SAW-Komponenten für die Verarbeitung mechanischer Wellen heute unabkömmlich. „Sie sind in allen modernen Mobiltelefonen, Schlüsselanhängern, Garagentoröffnern, den meisten GPS-Empfängern, vielen Radarsystemen und vielem mehr verbaut“, sagt der Forscher Matt Eichenfield in einer Aussendung der University of Colorado Boulder. Sie dienen in den Geräten als Filter, der sicherstellt, dass nur die gewünschten Signale empfangen und gesendet werden.

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Viele Komponenten für Schallwellen im Handy

Derzeit gibt es dazu etwa in einem Smartphone normalerweise mehrere verschiedene Chips, die SAWs verarbeiten. Eichenfield und seine Forscherkollegen haben nun aber eine neuartige Komponente entwickelt, die solche Prozesse in einer Komponente bündeln soll und so zu leistungsstärkeren, effizienteren und kleineren Geräten führen könnte. 

Die Forscher haben ein stabförmiges Mini-Gerät entwickelt, das solche Vibrationen erzeugt. Grundsätzlich ähnelt ihr „Phononenlaser“ einem Laserpointer – aber er erzeugt Vibrationen statt Licht.

Derzeitige SAW-Komponenten brauchen 2 Chips und eine Stromquelle, um Vibrationen zu erzeugen. Bei ihrem stabförmigen Phononenlaser reicht ein einziger Chip, der außerdem leistungsstärker ist.

Wie Diodenlaser

Zum Verständnis des Geräts kann man sich einen normalen Laser (Diodenlaser) vorstellen, der Licht aussendet. Hier gibt es auf der Oberfläche eines Halbleiterchips in der Regel 2 Mikrospiegel, die sich den Lichtstrahl gegenseitig hin- und herschicken. Das Licht trifft dabei gleichzeitig auf Atome im Halbleitermaterial auf dem Chip. Darin fließt ein elektrisches Feld, das von einer Stromquelle erzeugt wird. Der Energieertrag steigt weiter, weil auch diese Atome Licht emittieren.

„Diodenlaser sind die Grundlage der meisten optischen Technologien, da sie mit einer einfachen Batterie oder Spannungsquelle betrieben werden können und nicht wie viele frühere Lasertypen mehr Licht zur Erzeugung des Laserstrahls benötigen“, sagte Eichenfield. „Wir wollten ein Analogon zu diesem Lasertyp entwickeln, jedoch für Oberflächenwellen (SAW).“

Schwingende Wafer-Schichten

Ihr stabförmiger, etwa einen halben Millimeter langer Phononenlaser besteht im Kern aus einem Silizium-Wafer. Darauf ist eine dünne Schicht aus Lithiumniobat, das piezoelektrisch ist – also vibriert und dabei ein elektrisches Feld erzeugt, das wiederum Vibrationen erzeugt. Als Letztes kommt am Wafer dann eine Schicht aus Indiumgalliumarsenid. Dieses Material kann Elektronen auf extrem hohe Geschwindigkeiten beschleunigen.

Durch den Aufbau können die Vibrationen an der Lithiumniobat-Schicht direkt mit den Elektronen im Indiumgalliumarsenid interagieren. Bei Stromfluss bewegen sich die Schichten wellenförmig hin und her, etwa so wie das Licht in einem Laser, das zwischen 2 Spiegeln reflektiert wird.

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Frequenz bis zu hundert GHz

Mit ihrem Gerät konnten die Forscher SAWs erzeugen, die mit einer Frequenz von 1 GHz (also Milliarden Mal pro Sekunde) pulsierten. Sie glauben aber, dass sie die Frequenz auf bis zu 100 GHz steigern können. Bei gewöhnlichen SAW-Elementen können nur bis zu 4 GHz erreicht werden.

Die Forscher hoffen, dass ihr Stäbchen später kompaktere und leistungsstärkere Drahtlosgeräte wie Handys oder Kopfhörer möglich machen könnte. Statt derzeit mehreren Chips in einem Gerät, die SAW-Wellen herumschicken, könnte man künftig die gesamte Verarbeitung über einen einzigen Chip bündeln, der die komplette Verarbeitung der SAWs übernimmt.