لقد تعلم الفيزيائيون “تصوير” الصوت لاختبار المواد اللازمة لاتصالات الجيل السادس

ولنقل البيانات بسرعات عالية، تستخدم الهواتف الذكية الحديثة مرشحات تحول الإشارات الكهرومغناطيسية إلى موجات فوق صوتية والعكس. وهذا يساعد على تصفية التداخل. ومع زيادة ترددات الاتصالات، يتم اقتراح أنواع جديدة من هذه المرشحات، على سبيل المثال، بناءً على التأثيرات الكهروضوئية. يتكون أي جهاز إلكتروني حديث تقريبًا من عناصر مصنوعة من أفلام موضوعة على ركيزة. تكمن المشكلة في أنه عند الترددات العالية التي تصل إلى عدة جيجا هرتز أو عشرات جيجا هرتز، يكاد يكون من المستحيل التنبؤ بسلوك الموجات فوق الصوتية عند السطح البيني لهذه المواد. في هذا النطاق تعمل اتصالات 5G و 6G المستقبلية. عند الترددات المنخفضة، يمكن اعتبار تلامس الفيلم مع الركيزة مثاليًا لانتشار الصوت، ولكن مع زيادة التردد، يؤدي الانزلاق المجهري للفيلم بسبب عدم كفاية الصلابة العرضية لجهة الاتصال إلى حقيقة أن المرشح لا ينقل الإشارة، ولن يتمكن مصممو الرقائق من معرفة ذلك إلا بعد إنفاق ملايين الدولارات. اقترح علماء FIAN، مع ألكسندر كونتسيفيتش، الباحث الرائد في المختبر الدولي لفيزياء المواد المكثفة، والأستاذ في كلية الفيزياء في المدرسة العليا للاقتصاد بجامعة الأبحاث الوطنية، طريقة للتحقق من جودة الاتصال حتى قبل تجميع الجهاز. وبدلاً من إنشاء نماذج أولية باهظة الثمن، يقترحون استخدام نبضات ليزر قصيرة لاختبار المواد. ونشرت نتائج البحث في مجلة رسائل الفيزياء التطبيقية. وقد عمل العلماء على عينة من زجاج الكوارتز، والتي تم نقل شريحة من نيتريد البورون بسمك 600 نانومتر. لقد ركزوا نبضة ليزر تحت الحمراء على سطحه. يقوم الليزر بتسخين منطقة صغيرة وإرسال موجة صوتية سطحية عبر المادة. “عندما يتم إلقاء الحصى في الماء، تنتشر الموجات عبر سطحها في شكل دوائر متحدة المركز. هذه موجات سطحية. يمكن أن تمتد نفس الموجات تقريبًا على طول سطح المواد الصلبة؛ وتسمى موجات رايلي الصوتية السطحية”، أوضح ألكسندر كونتسيفيتش. ومن الصعب رؤية مثل هذه الموجات بالعين، لأن سرعة انتشارها عالية وسعةها عادة ما تكون صغيرة جدًا. ومع ذلك، تحمل هذه الموجات الكثير من المعلومات الفيزيائية المهمة حول المادة التي تنتشر من خلالها. على سبيل المثال، من خلال تغيير سرعة الموجة وشكلها، يمكن للمرء الحكم على الخصائص المرنة للمادة ومدى إحكام التصاق الغشاء الرقيق بالركيزة، وهو ما يحتاج العلماء إلى اكتشافه. “باستخدام الشعاع الثاني، التقطنا لقطة للموجة. النبضة الأولى، مثل ضربة على السطح، تثير الصوت. أرسلنا النبضة الثانية إلى نفس السطح بجزء من النانو ثانية بعد النبضة الأولى. قام هذا الشعاع بمسح السطح بزيادات قدرها 0.5 ميكرومتر. اختلف انعكاس هذا الشعاع اعتمادًا على ما إذا كان جزء من السطح ارتفع أو انخفض تحت تأثير موجة عابرة. من خلال جمع هذه البيانات معًا، قمنا بإعادة بناء خريطة دقيقة للإزاحات الرأسية – في الواقع، نحن قال العالم: “حصلت على صورة مجمدة لموجة متنقلة”. في الوقت نفسه، ظل الهيكل نفسه سليما: لم تدمر الطريقة الفيلم ولا الركيزة. قام العلماء بتحليل الصورة الناتجة باستخدام نموذج رياضي، مما جعل من الممكن تحديد اعتماد سرعة الصوت على الطول الموجي. من خلال كيفية تغير السرعة مع التردد، يمكنك تحديد كيفية التصاق الفيلم والركيزة. استنادًا إلى درجة تشويه الموجة، قام الباحثون بحساب معلمتين لصلابة الرابطة: العمودي (السحب) والعرضي (القص). وتبين أن أهمها هو ما هو المسؤول عن الانزلاق الجانبي للفيلم والذي لم يكن من الممكن قياسه من قبل. من خلال القدرة على تحديد معلمات صلابة الطبقات البينية، سيتمكن المهندسون من رفض المواد غير الناجحة مقدمًا وتطوير العمليات التكنولوجية لإنشاء مرشحات فائقة التردد. ستكون الطريقة المطورة مفيدة أيضًا في تطوير المواد الصوتية الصوتية – وهي هياكل اصطناعية تسمح لك بالتحكم في الصوت بطريقة معينة. “إن إنشاء جهاز ومعرفة أنه لا يعمل بسبب ضعف المطابقة الصوتية أمر مزعج ومكلف للغاية. من الأفضل بكثير اختبار التفاعل بين أزواج مختلفة من المواد مسبقًا، ثم محاولة إنشاء جهاز منها. لخص ألكساندر كونتسيفيتش أسلوبنا سريع وبصري تمامًا وغير مدمر. فهو يسمح لك بالتحقق من ملامسة المواد قبل تصنيعها في الجهاز، واختيار الزوج الأمثل للتشغيل بترددات جيجاهيرتز”. تم دعم الدراسة من قبل مؤسسة العلوم الروسية.