Signaaloverdracht via geluid overtreft elektronische schakelingen

Nanotechnologie

Redactieteam van de website voor technologische innovatie - 10 juli 2025

Akoestische technologie heeft een breed bereik als het gaat om chipafmetingen en -grootte. [Afbeelding: Xiang Xi et al. - 10.1038/s41586-025-09092-x]

Akoestische technologie

Wanneer een percussionist op een trommel slaat, trilt het trommelvel, en deze trilling bevat een signaal dat we als muziek kunnen interpreteren. Wanneer de trommel stopt met trillen, stopt de muziek – of, in fysieke termen, verliezen we het signaal.

Maar we kunnen hele kleine trommels ook voor andere dingen gebruiken, bijvoorbeeld als mechanische qubit voor quantumcomputers , als resonator die quantumverschijnselen op macroschaal weergeeft of, algemener, om digitale gegevens op te slaan in de trillingen van een quantumtrommel .

Het was in deze geavanceerdere toepassingen dat Xiang Xi en collega's van de Universiteit van Kopenhagen in Denemarken nu een innovatie hebben ontwikkeld, met een ultradun trommelvel van ongeveer 10 mm breed. En het is niet eens glad – het is geperforeerd met een groot aantal driehoekige gaatjes.

Het resultaat is indrukwekkend: de trommel met dit membraan laat trillingen zich vrijwel zonder verlies door het hele trillende membraan verspreiden. Sterker nog, er is zo weinig verlies dat deze trommel veel beter is in het overbrengen van informatie dan de signaalverwerking die wordt uitgevoerd door de beste elektronische schakelingen die er zijn.

Vergroting van het membraan, gemaakt van siliciumnitride. De kleuren geven de beweging buiten het vlak weer: rood betekent dat een deel van het membraan omhoog beweegt en blauw dat een deel omlaag beweegt. [Afbeelding: Albert Schliesser/Xiang Xi]

Mechanische transmissie van signalen

Om de trommel te gebruiken voor informatieoverdracht, in wezen een mechanische gegevensoverdracht, bestaat het signaal uit fononen , quasideeltjes die je kunt zien als trillingen in een vaste stof. De atomen trillen en botsen als het ware tegen elkaar, waardoor een bepaald signaal door het materiaal wordt getransporteerd – en dit is waar signaalverlies een rol speelt.

Als het signaal aan kracht verliest, of als delen van het signaal verloren gaan in de vorm van hitte of onjuiste trillingen, kan het signaal niet meer correct worden gedecodeerd. Dat maakt het moeilijk om akoestische componenten te creëren, en zelfs om akoestische computers te ontwikkelen , een alternatieve vorm van computers die belooft elektronisch onberekenbare problemen op te lossen. Tegenwoordig wordt er zelfs gesproken over fononica , een vorm van elektronica die werkt met fononen in plaats van elektronen.

In dit geval wordt het verlies gemeten als een afname van de amplitude van de geluidsgolf terwijl deze door het membraan beweegt. Wat het team ontdekte, is dat een membraan gevuld met zeer precieze gaatjes – driehoekige gaatjes – trillingen veel beter transporteert dan een glad membraan.

Toen de onderzoekers het signaal door hun geperforeerde membraan leidden – en rond de gaten, waar het signaal van richting verandert – bedroeg het verlies ongeveer één fonon op een miljoen. Ter vergelijking: de amplitude van stroomfluctuaties in een vergelijkbaar elektronisch circuit neemt ongeveer honderdduizend keer sneller af.

Je kunt veel dingen doen met geluidsgolven in chips, waaronder echte aardbevingen op een chip . [Afbeelding: Govert Neijts et al. - 10.1063/5.0220496]

Meervoudig gebruik

Het team werkte niet aan een specifieke toepassing, maar de mogelijkheden van deze doorbraak zijn breed. Quantumcomputers zijn bijvoorbeeld afhankelijk van de superprecieze overdracht van signalen tussen hun verschillende componenten, en akoestische overdracht is een van de verschillende mechanismen die worden onderzocht.

Een ander toepassingsgebied zijn sensoren die bijvoorbeeld de kleinste biologische fluctuaties in ons eigen lichaam kunnen meten, waar signaaloverdracht ook cruciaal is. Maar zelfs fundamenteel onderzoek zal geïnteresseerd zijn in het membraan, bijvoorbeeld om de onzekerheid van Heisenberg te testen .

"Op dit moment willen we experimenteren met de methode om te zien wat we ermee kunnen doen. We willen bijvoorbeeld complexere structuren bouwen en kijken hoe we fononen eromheen kunnen laten bewegen, of structuren bouwen waarin we fononen kunnen laten botsen zoals auto's op een kruispunt. Dit zal ons een beter begrip geven van wat uiteindelijk mogelijk is en wat de nieuwe toepassingen zijn", aldus professor Albert Schliesser, wiens team graag de grenzen van metingen verlegt .

Ander nieuws over:

Meer onderwerpen