È stato realizzato il primo “laser fononico” integrato su microchip: nuova era per gli smartphone
Un team di ingegneri ha realizzato il primo “laser fononico” integrato su microchip, in grado di generare onde acustiche superficiali a frequenze elevate e con una precisione senza precedenti.
Il dispositivo, potenzialmente rivoluzionario per il design dei futuri smartphone e dispositivi wireless, promette di ridurre le dimensioni dei chip, aumentare l’efficienza energetica e semplificare i sistemi di comunicazione radio, aprendo nuove prospettive per l’ingegneria elettronica e le tecnologie quantistiche.
Una scoperta che replica terremoti su scala microscopica
Ingegneri della University of Colorado Boulder, insieme a ricercatori della University of Arizona e dei Sandia National Laboratories, hanno sviluppato un dispositivo in grado di generare vibrazioni simili a terremoti, ma ridotte alla scala di un microchip.
Il cuore dell’innovazione è un phonon laser a onde acustiche superficiali (SAW, Surface Acoustic Wave), un dispositivo capace di produrre oscillazioni meccaniche ultra-rapide direttamente sulla superficie del chip. Il lavoro è stato pubblicato il 14 gennaio 2026 sulla rivista Nature.
Cosa sono le onde acustiche superficiali (SAW)
Le onde acustiche superficiali sono vibrazioni che si propagano esclusivamente sulla superficie di un materiale, a differenza delle onde sonore tradizionali che viaggiano attraverso un mezzo solido, liquido o gassoso.
Queste onde sono simili a quelle generate durante i terremoti, ma vengono sfruttate da decenni in elettronica, in dispositivi come smartphone, ricevitori GPS, radar e telecomandi. Nei telefoni cellulari, le SAW vengono utilizzate per filtrare con precisione i segnali radio in arrivo, eliminando interferenze e rumori di fondo.
Il phonon laser: un nuovo modo di generare onde SAW
Il nuovo dispositivo fononico è stato progettato per replicare il principio operativo di un laser ottico, ma applicato alle vibrazioni meccaniche. A differenza dei laser convenzionali che emettono luce, questo phonon laser genera onde elastiche coerenti.
Il sistema si compone di un chip bariforme di circa mezzo millimetro, al cui interno i ricercatori hanno integrato materiali altamente specializzati in grado di favorire l’interazione tra campi elettrici e vibrazioni meccaniche.
Struttura multilayer: materiali avanzati per la propagazione delle onde
Il dispositivo fononico si basa su una struttura a strati composta da:
- Silicio: costituisce il substrato del chip, materiale standard nei dispositivi elettronici.
- Niobato di litio: un materiale piezoelettrico che converte impulsi elettrici in vibrazioni meccaniche e viceversa.
- Indio gallio arsenide (InGaAs): uno strato ultra-sottile con proprietà elettroniche avanzate, che consente agli elettroni di muoversi rapidamente anche sotto campi elettrici deboli.
L’interazione tra i campi elettrici oscillanti nel niobato di litio e gli elettroni accelerati nell’indio gallio arsenide consente di generare e amplificare onde SAW ad altissima frequenza.
Funzionamento laser: come nasce un’onda meccanica amplificata
Il principio operativo riproduce il funzionamento di un laser a diodo. Nei laser ottici, la luce rimbalza tra due specchi, amplificandosi ad ogni riflessione fino a formare un raggio coerente. Il phonon laser funziona in modo analogo: le onde acustiche si riflettono all’interno del chip, attraversando ripetutamente la cavità.
Ogni passaggio in avanti rafforza l’onda, mentre il ritorno ne attenua l’intensità. Il sistema è stato progettato in modo da ottenere un guadagno netto positivo nella direzione utile, compensando le perdite e consentendo l’uscita di un’onda amplificata da un’estremità del dispositivo.
Prestazioni superiori: verso frequenze da decine di gigahertz
Il phonon laser sviluppato è stato in grado di generare onde SAW a circa 1 GHz, ma i ricercatori stimano che la stessa architettura potrebbe spingersi fino a decine o centinaia di gigahertz.
I dispositivi SAW attualmente in commercio raggiungono al massimo 4 GHz. Il nuovo sistema promette quindi un salto prestazionale significativo, che potrebbe ridurre il numero di componenti nei dispositivi wireless, aumentando nel contempo la velocità e riducendo i consumi.
Implicazioni per l’elettronica di consumo e la microelettronica avanzata
Nel funzionamento attuale degli smartphone, ogni messaggio, chiamata o connessione internet richiede la conversione dei segnali radio in vibrazioni meccaniche e viceversa. Questa operazione implica l’uso di più chip dedicati, con conseguenti ingombri e dissipazioni di energia.
Il phonon laser offre la possibilità di creare un chip singolo capace di gestire l’intera catena di elaborazione del segnale radio sfruttando un’unica tecnologia integrata. Questo approccio permetterebbe di costruire smartphone più piccoli, veloci e con maggiore autonomia.
Componentistica on-chip: verso radio completamente integrate
Il progetto, come dichiarato dal professor Matt Eichenfield, mira a produrre ogni singolo componente necessario a una radio direttamente su un solo chip. Secondo il team, il phonon laser rappresentava l’ultimo ostacolo tecnologico da superare per raggiungere una piena integrazione della radiofrequenza su chip.
Questa architettura consentirebbe non solo una miniaturizzazione estrema, ma anche una semplificazione dei processi produttivi, con riduzione di costi, complessità e consumo energetico.
Prospettive applicative e sviluppi futuri
Il phonon laser apre nuove direzioni per applicazioni nei settori:
- Telecomunicazioni wireless: miglioramento della qualità e stabilità del segnale in dispositivi mobili e IoT.
- Sensori ad alta precisione: sviluppo di sensori SAW a frequenze elevate per ambienti industriali, biomedicali e aerospaziali.
- Quantum engineering: possibilità di interfacciare vibrazioni quantizzate (fononi) con stati quantistici di materia e luce.
Ulteriori ricerche saranno indirizzate all’ottimizzazione dei materiali e alla stabilizzazione del segnale fononico su lunghi periodi, con particolare attenzione alla scalabilità industriale e alla compatibilità con i processi produttivi della microelettronica.
Un nuovo standard tecnologico basato sui fononi
L’integrazione completa di dispositivi fononici su chip rappresenta una transizione verso una nuova architettura tecnologica. Al pari di quanto avvenuto con i laser ottici nei decenni passati, anche i laser meccanici a fononi potrebbero diventare strumenti fondamentali in una vasta gamma di applicazioni commerciali e scientifiche.
Il lavoro del team guidato da Eichenfield dimostra la fattibilità di dispositivi fononici a basso consumo, alta frequenza e completa integrazione, confermando che la meccanica quantistica della materia solida può essere sfruttata non solo per la computazione, ma anche per migliorare le infrastrutture elettroniche su scala globale.