Winzige „Erdbeben“ im Smartphone – neue Technik macht Handys kleiner und sparsamer

Neben Chips, Sensoren und Akkus arbeiten in jedem Smartphone unsichtbare Schwingungen – vergleichbar mit winzigen Wellen, die über die Oberfläche eines Bauteils laufen. Sie sorgen dafür, dass Gespräche nicht abbrechen, Karten-Apps den Standort finden und drahtlose Verbindungen stabil bleiben. Diese Technik ordnet Funksignale und filtert Störungen heraus – beim Telefonieren ebenso wie bei GPS oder WLAN. Bislang braucht sie mehrere Bauteile und vergleichsweise viel Energie.

Forscher der University of Colorado Boulder haben nun ein Bauteil entwickelt, das diese winzigen Schwingungen gezielt verstärkt: einen sogenannten Phonon-Laser. Die Ergebnisse wurden in Nature veröffentlicht. Der Phonon-Laser erzeugt extrem schnelle, erdbebenähnliche Vibrationen direkt auf einem einzigen Chip. Weil Filter, Verstärker und Signalquelle zusammenrücken, könnte Funktechnik künftig kleiner, sparsamer und leistungsfähiger werden – mit spürbaren Folgen für Smartphones und andere drahtlose Geräte.

Wie der Phonon-Laser diese Schwingungen erzeugt

Der Phonon-Laser funktioniert grundlegend anders als bekannte Lasertypen. Er erzeugt kein Licht, sondern verstärkt gezielt mechanische Wellen, die sich über die Oberfläche eines Chips ausbreiten und kontrollieren lassen. „Man kann sich das wie Erdbebenwellen vorstellen – nur auf der Oberfläche eines winzigen Chips“, erklärt Alexander Wendt, Erstautor der Studie. Die Schwingungen laufen vor und zurück, werden reflektiert und verstärken sich dabei. Überschreitet die angelegte Spannung einen bestimmten Wert, tragen sie sich selbst.

Das neue Bauteil arbeitet vollständig elektrisch und sitzt auf einem einzigen Chip. Seine aktive Fläche ist kleiner als 0,15 Quadratmillimeter. Trotz dieser geringen Größe erzeugt es stabile Schwingungen mit rund einem Gigahertz – also etwa einer Milliarde Schwingungen pro Sekunde. Eine externe Hochfrequenzquelle ist dafür nicht nötig.

Warum Funktechnik mechanische Filter nutzt

Moderne Smartphones verarbeiten Funksignale nicht ausschließlich mit Elektronik. Bevor ein Signal weitergeleitet wird, wandeln Chips es kurzzeitig in mechanische Bewegung um. Diese Oberflächen-Schallwellen wirken wie ein sehr präziser Filter: Sie lassen gewünschte Frequenzen passieren und halten Störungen zurück. Erst danach wird das Signal wieder elektrisch verarbeitet.

Solche Filter sind heute in nahezu jedem Mobilgerät verbaut. Sie arbeiten zuverlässig, benötigen aber Platz und zusätzliche Bauteile. Häufig teilen sich mehrere Chips diese Aufgaben. Jeder Zwischenschritt kostet Energie. Der Phonon-Laser vereint mehrere Funktionen, die bisher getrennt waren. Er erzeugt die mechanischen Wellen selbst, verstärkt sie und gibt sie kontrolliert weiter. Auch die Stromversorgung bleibt einfach: Der Chip lässt sich mit einer Batterie betreiben.

Für die Entwicklung neuer Geräte ergeben sich daraus klare Vorteile:

• Weniger Platzbedarf: Filter, Verstärker und Signalquelle rücken auf einem Chip zusammen.
• Geringerer Energieverbrauch: Weniger Umwandlungsschritte bedeuten weniger Verluste.
• Einfachere Bauweise: Sinkende Bauteilzahl reduziert Komplexität und Fehleranfälligkeit.

Der frei werdende Raum lässt sich etwa für größere Akkus oder zusätzliche Sensoren nutzen.

Drei Materialien im Zusammenspiel

Möglich wird die Technik durch eine gezielte Kombination aus drei Materialien. Die Basis bildet Silizium, wie in klassischer Mikroelektronik. Darüber liegt Lithiumniobat, ein Kristall, der elektrische Spannung in mechanische Bewegung übersetzt. Die oberste Schicht besteht aus Indium-Gallium-Arsenid, in dem sich Elektronen besonders schnell bewegen.

Fließt Strom, koppeln sich die Elektronen an die Schwingungen im Kristall. Mit jedem Durchlauf wächst die mechanische Bewegung. Ab etwa 36 Volt beginnt der Chip selbstständig zu schwingen. Die erzeugten Wellen bleiben dabei sehr stabil, das Rauschen gering – ein entscheidender Punkt für zuverlässige Funkverbindungen.

Höhere Frequenzen, stabilere Verbindungen

Klassische Schallwellen-Bauteile erreichen heute meist Frequenzen von bis zu vier Gigahertz. Der neue Phonon-Laser arbeitet bereits bei einem Gigahertz. Nach Einschätzung der Forscher lässt sich das Prinzip auf deutlich höhere Frequenzen ausweiten. Zehn Gigahertz gelten als realistisch. Das wäre vor allem für kommende Mobilfunkstandards relevant, bei denen hohe Datenraten nur mit sehr präziser Filtertechnik möglich sind.

Phonon-Laser könnten auch in Autoschlüsseln, GPS-Empfängern, Routern oder industriellen Sensoren zum Einsatz kommen, da diese vergleichbare Filter nutzen. Überall zählen kompakte Bauweise, niedriger Energieverbrauch und stabile Signale. Ein einzelnes, robustes Bauteil könnte viele heutige Lösungen ersetzen.

Kurz zusammengefasst:

• Smartphones verarbeiten Funksignale nicht nur elektrisch, sondern auch mit winzigen mechanischen Schwingungen, die besonders präzise filtern, aber bisher viel Platz und Energie benötigen.
• Ein neu entwickelter Phonon-Laser bündelt diese Funktionen erstmals auf einem einzigen Chip, erzeugt kontrollierte Schwingungen mit sehr hoher Stabilität und macht zusätzliche Bauteile sowie externe Signalquellen überflüssig.
• Das könnte Smartphones und andere Funkgeräte kleiner, energieeffizienter und leistungsfähiger machen, weil weniger Platz, weniger Strom und einfachere Chip-Architekturen nötig sind.

Übrigens: Jahrzehntelang scheiterten Mikroroboter unterhalb eines Millimeters an fehlender Autonomie, weil Sensorik, Steuerung und Energie extern bleiben mussten. Nun zeigen salzkornkleine Roboter, wie Bewegung, Energie und Entscheidungen direkt an Bord funktionieren. Mehr dazu in unserem Artikel.

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