Передача сигнала звуком превосходит электронные схемы

Нанотехнологии

Редакция сайта «Технологические инновации» — 10 июля 2025 г.

Акустическая технология имеет широкий охват, как в масштабе кристалла, так и в глубину. [Изображение: Сян Си и др. - 10.1038/s41586-025-09092-x]

Акустическая технология

Когда перкуссионист ударяет по барабану, он вызывает вибрацию мембраны, и эта вибрация содержит сигнал, который мы можем расшифровать как музыку. Когда барабан перестаёт вибрировать, музыка заканчивается, или, выражаясь физически, мы теряем сигнал.

Но мы также можем использовать очень маленькие барабаны для других целей, например, в качестве механического кубита для квантовых компьютеров , резонатора, отображающего квантовые явления в макромасштабе , или, в более общем смысле, для хранения цифровых данных в вибрациях квантового барабана .

Именно в этих более продвинутых приложениях Сян Си и его коллеги из Копенгагенского университета (Дания) разработали ультратонкую мембрану для барабана шириной около 10 мм. И она не просто гладкая — она пронизана множеством треугольных отверстий.

Результат впечатляет: барабан, изготовленный с этой мембраной, позволяет вибрациям распространяться по всей её длине практически без потерь. Потери настолько малы, что этот барабан гораздо лучше справляется с передачей информации, чем обработка сигнала лучшими доступными электронными схемами.

Увеличенное изображение мембраны из нитрида кремния. Цвета соответствуют внеплоскостному движению: красный означает, что часть мембраны движется вверх, а синий — вниз. [Изображение: Альберт Шлиссер/Сян Си]

Механическая передача сигналов

При использовании барабана для передачи информации, по сути, механической передачи данных, сигнал состоит из фононов – квазичастиц, которые можно представить как вибрации в твёрдом материале. Атомы вибрируют и сталкиваются друг с другом, так сказать, перенося сигнал через материал, и здесь в игру вступают потери сигнала.

Если сигнал теряет силу или части сигнала теряются в виде тепла или неправильных вибраций, его становится невозможно правильно декодировать, что затрудняет создание акустических компонентов и даже акустических вычислений , альтернативной формы вычислений , которая обещает решить электронно невычислимые проблемы — сегодня даже говорят о фононике , типе электроники, работающей с фононами вместо электронов.

В данном случае потери измеряются как уменьшение амплитуды звуковой волны при её прохождении через мембрану. Учёные обнаружили, что мембрана, заполненная очень точными отверстиями треугольной формы, гораздо лучше переносит вибрации, чем гладкая мембрана.

Когда исследователи пропускали сигнал через перфорированную мембрану и обходили отверстия, где сигнал меняет направление, потери составляли примерно один фонон на миллион. Для сравнения, амплитуда колебаний тока в аналогичной электронной цепи уменьшается примерно в сто тысяч раз быстрее.

С помощью звуковых волн внутри чипов можно делать многое, включая настоящие землетрясения на чипе . [Изображение: Говерт Нейтс и др. - 10.1063/5.0220496]

Многократное использование

Команда не работала над конкретным приложением, но возможности этого прорыва широки. Например, квантовые компьютеры основаны на сверхточной передаче сигналов между различными компонентами, и акустическая передача — один из многочисленных исследуемых механизмов.

Другая область применения — датчики, которые, например, могут измерять мельчайшие биологические колебания в нашем организме, где передача сигнала также имеет решающее значение. Однако даже фундаментальные исследования будут интересны для мембраны, например, для проверки неопределенности Гейзенберга .

«Сейчас мы хотим поэкспериментировать с этим методом, чтобы увидеть, что с ним можно сделать. Например, мы хотим построить более сложные структуры и посмотреть, как заставить фононы двигаться вокруг них, или создать структуры, в которых фононы смогут сталкиваться, как автомобили на перекрёстке. Это даст нам лучшее понимание того, что в конечном итоге возможно и каковы новые области применения», — сказал профессор Альберт Шлиссер, чья команда любит расширять границы измерений .

Другие новости о:

Больше тем