Voici une invention qui pourrait entraîner une petite révolution dans les appareils sans fil. Des chercheurs de l’université du Colorado, à Boulder, ont mis au point une technique pour générer de « minuscules tremblements de terre sur une puce », qui pourrait permettre notamment de réduire la taille des smartphones tout en améliorant leurs performances.

Dans un article publié dans la revue Nature, les chercheurs présentent un laser à phonons à ondes acoustiques de surface. Les ondes acoustiques de surface ou SAW (Surface Acoustic Wave), comme leur nom l’indique, sont des vibrations à haute fréquence qui se déplacent à la surface d’un matériau.

« Les dispositifs à SAW sont essentiels à bon nombre des technologies les plus importantes au monde, explique Matt Eichenfield, l’un des auteurs de l’étude. On les trouve dans tous les téléphones portables modernes, les télécommandes, les ouvertures de porte de garage, la plupart des récepteurs GPS, de nombreux systèmes radar et bien d’autres encore. »

Dans un smartphone, par exemple, les ondes acoustiques de surface sont utilisées comme filtre. L’appareil reçoit un signal radio, qu’il convertit en vibrations afin d’éliminer le bruit, puis reconvertit en ondes radio. Habituellement, cette technologie s’appuie sur deux puces. Dans cette nouvelle étude, les chercheurs ont réussi à tout intégrer dans une seule puce, grâce à un laser à phonons.

Architectures améliorées pour les applications à court terme et la génération à haute fréquence. © Université du Colorado, à Boulder

Une intégration inédite sur une puce unique

Ils se sont inspirés de la diode laser, qui réfléchit la lumière entre deux miroirs microscopiques afin de la faire traverser un milieu amplificateur, ce qui crée un processus d’émission stimulée. Avec le laser à phonons, des vibrations mécaniques sont piégées dans une cavité acoustique.

L’appareil est composé d’un wafer en silicium, le même matériau qui est utilisé pour la gravure des puces électroniques. Par-dessus, les chercheurs ont ajouté une couche piézoélectrique en niobate de lithium. Lorsque cette couche vibre, elle produit des champs électriques oscillants, et inversement. Ils ont aussi ajouté une fine couche d’arséniure de gallium–indium. Lorsqu’elle est soumise à un faible champ électrique, elle peut accélérer les électrons.

Lorsque la couche d’arséniure de gallium-indium est soumise à un courant électrique, elle crée des ondes dans la couche de niobate de lithium. Ces ondes avancent, sont réfléchies, puis reculent. En avançant elles sont amplifiées, en reculant elles perdent en intensité. L’onde « perd près de 99 % de sa puissance lorsqu’elle recule, nous avons donc conçu le dispositif pour qu’elle gagne considérablement en puissance lorsqu’elle avance afin de compenser cela », affirme Alexander Wendt, un autre des auteurs.

Le signal finit donc par être amplifié, et le dispositif laisse échapper une petite partie de l’énergie sur un côté, d’une manière similaire à une diode laser.

Un dispositif qui fonctionne sur de nouvelles fréquences

Les chercheurs ont ainsi réussi à produire des SAW à une fréquence d’un gigahertz. Mieux encore, ils pensent que leur laser à phonons à ondes acoustiques de surface pourrait facilement atteindre plusieurs dizaines ou centaines de gigahertz, soit bien plus que le maximum d’environ quatre gigahertz pour les dispositifs classiques.

Entièrement intégré sur une seule puce, ce dispositif pourrait rendre les appareils sans fil plus performants. Plus compact, il permettrait aussi de réduire leur taille ainsi que leur consommation énergétique, prolongeant ainsi l’autonomie d’appareils comme les smartphones. En plus de servir de filtre de radiofréquence, il pourrait aussi être intégré dans des capteurs chimiques et biologiques, des dispositifs acousto-optiques, des laboratoires sur une puce ou encore servir dans le domaine de la phonique quantique.