Trong một nghiên cứu mới công bố ngày 14/1 trên tạp chí Nature, các nhà khoa học mô tả thiết bị này là một laser phonon sóng âm bề mặt (SAW) có khả năng tạo ra các rung động rất nhỏ nhưng cực kỳ nhanh. Các rung động này có thể được hình dung giống như những gợn sóng do động đất tạo ra, nhưng xảy ra trên bề mặt của một con chip siêu nhỏ.

Trong tự nhiên, các sóng âm bề mặt quy mô lớn xuất hiện khi các mảng kiến tạo của Trái Đất trượt lên nhau và gây ra động đất. Trong công nghệ hiện đại, SAW cũng đã được sử dụng làm bộ lọc trong điện thoại thông minh nhằm làm sạch tín hiệu không dây. Khi điện thoại nhận sóng vô tuyến từ trạm phát sóng, tín hiệu này sẽ được chuyển đổi thành những rung động cơ học rất nhỏ, giúp các con chip loại bỏ nhiễu không mong muốn hiệu quả hơn. Mỗi lần người dùng gửi tin nhắn, thực hiện cuộc gọi hay truy cập internet, nhiều con chip trong thiết bị sẽ liên tục chuyển đổi tín hiệu vô tuyến thành sóng SAW rồi lại chuyển ngược trở lại.

Vai trò của sóng âm bề mặt trong công nghệ hiện đại

Mặc dù về mặt khái niệm tương tự với các sóng địa chấn trên bề mặt Trái Đất, các sóng SAW trong thiết bị điện tử có quy mô quá nhỏ để đo bằng các thang đo như thang độ lớn mô-men, thang đo thường dùng để xác định năng lượng giải phóng trong động đất.

Các nhà nghiên cứu cho biết các thiết bị SAW hiện đóng vai trò thiết yếu trong nhiều công nghệ quan trọng, bao gồm điện thoại di động, chìa khóa điều khiển từ xa, thiết bị mở cửa gara, hầu hết các bộ thu GPS và nhiều hệ thống radar. Tuy nhiên, cho đến nay vẫn chưa có thiết bị một chip hoàn toàn ở trạng thái rắn nào có thể tự tạo ra sóng SAW đồng bộ ở tần số rất cao mà không cần nguồn tín hiệu tần số vô tuyến bên ngoài. Các linh kiện SAW truyền thống thường cần hai con chip riêng biệt cùng với nguồn năng lượng bổ sung. Thiết kế mới của nhóm nghiên cứu nhằm cung cấp chức năng tương tự nhưng chỉ với một con chip duy nhất, điều này có thể cho phép tạo ra các tần số cao hơn nhiều bằng nguồn năng lượng từ pin điện thoại thông minh thông thường.

Để chế tạo thiết bị, các nhà nghiên cứu đã xếp chồng nhiều lớp vật liệu siêu mỏng khác nhau thành một thanh nhỏ dài khoảng 0,5 mm. Cấu trúc này bao gồm một lớp nền silicon, một lớp niobate lithium hay tinh thể áp điện có khả năng chuyển đổi tín hiệu điện thành rung động cơ học, và lớp trên cùng là arsenide indium gallium, một vật liệu bán dẫn có thể gia tốc electron tới tốc độ rất cao khi chịu tác động của điện trường.

Hệ thống hoạt động bằng cách liên tục khuếch đại các rung động khi chúng phản xạ qua lại bên trong cấu trúc, tương tự cách ánh sáng được tăng cường trong laser diode giữa hai gương phản xạ. Các rung động bề mặt trong lớp niobate lithium tương tác với các electron trong lớp indium gallium arsenide, làm tăng năng lượng của sóng khi chúng truyền theo một hướng nhất định. Trong thiết kế này, năng lượng của sóng gần như bị mất đi hoàn toàn khi truyền ngược chiều, vì vậy các nhà khoa học đã thiết kế hệ thống để tăng cường mạnh mẽ năng lượng theo hướng tiến.

Nhóm nghiên cứu đã tạo ra các sóng bề mặt với tần số khoảng 1 gigahertz, tương đương hàng tỷ rung động mỗi giây, và tin rằng thiết kế này có thể được nâng lên mức hàng chục hoặc thậm chí hàng trăm gigahertz. Con số này vượt xa khả năng của nhiều thiết bị SAW hiện nay, vốn thường chỉ đạt tối đa khoảng 4 GHz.

Hướng tới thiết bị không dây nhỏ hơn và tiết kiệm năng lượng hơn

Mục tiêu lâu dài của công nghệ này là đơn giản hóa cách điện thoại xử lý tín hiệu không dây. Cụ thể, các nhà nghiên cứu muốn phát triển một con chip duy nhất có thể vừa chuyển đổi sóng vô tuyến thành sóng SAW vừa chuyển ngược lại, đồng thời sử dụng sóng bề mặt để thực hiện phần lớn quá trình xử lý tín hiệu. Nếu đạt được điều này, các thiết bị không dây trong tương lai có thể lọc và định tuyến tín hiệu trên những con chip nhỏ hơn nhiều và tiêu thụ ít năng lượng hơn.

Theo nhóm nghiên cứu, công nghệ laser phonon này được xem như mảnh ghép cuối cùng cần thiết để có thể chế tạo toàn bộ các thành phần của một hệ thống radio trên một con chip duy nhất bằng cùng một nền tảng công nghệ. Nếu thành công, bước tiến này có thể mở đường cho thế hệ thiết bị không dây mới nhỏ gọn hơn, nhanh hơn và hiệu quả năng lượng hơn nhiều so với hiện nay.

https://vista.gov.vn/vi/news/ket-qua-nghien-cuu-trien-khai/nghien-cuu-xay-dung-he-thong-bao-tri-du-bao-trong-day-chuyen-san-xuat-den-led-dua-tren-mot-so-cong-nghe-cho-i40-13028.html