Ученые ПГУ научили звук догонять изображение
Версия для печати
Ученые Пензенского государственного университета изобрели модулятор интенсивности поверхностных акустических волн нового поколения. Новшество поможет усовершенствовать современную электронную технику — это телевизоры, смарт-техника, смартфоны. Разницы между звуком и картинкой, воспроизводимой ими, больше не будет, даже на доли секунд. В прошлом году ученые получили патент на изобретение, теперь они ждут предложений от ведущих компаний на его реализацию. О разработке рассказала «Российская газета».
В ПГУ более 20 лет занимаются исследованиями низкоразмерных полупроводниковых структур, таких как полупроводниковые квантовые ямы, проволоки и точки. Ученым удалось разработать технологию создания многослойной структуры, в основе которой полупроводниковая квантовая яма на основе бинарного полупроводника антимонида индия, именно она будет контролировать акустическую волну и задавать ей нужные свойства.
Над проектом «Модулятор интенсивности поверхностных акустических волн на основе полупроводниковой квантовой ямы» трудился научный коллектив (д-р физ.-мат. наук, профессор Михаил Семенов, канд. физ.-мат. наук, доцент Алексей Разумов) под руководством доктора физико-математических наук, профессора Пензенского государственного университета Владимира Кревчика.
Модуляторы интенсивности используются во всех электронных устройствах — везде, где необходимо совместить изображение и звук (телевизоры, смартфоны, мониторы компьютеров и ноутбуков, планшеты, смарт-часы).
«Свет распространяется с огромной скоростью, — поясняет один из разработчиков проекта Алексей Разумов, — а вот звук нет, запаздывает. Для устранения этого дисбаланса нужны эти устройства».
Звук не может с изображением транслироваться одновременно без отставания. Есть определенные интервалы, которые человек не улавливает, поэтому не замечает разницы. Например, если звук «запаздывает» от изображения на 10 миллисекунд — разница не заметна. А вот если больше 10 — 15, 20, 30 миллисекунд такая помеха вызывает дискомфорт при считывании информации с электронных устройств.
Это еще одна отличительная черта в подходе пензенских ученых. Они предлагают модулировать не свет, а звук. В существующих устройствах свет переносит информацию: на световую частоту накладывается дополнительная информационная частота. Дальше свет попадает на оптико-акустический преобразователь, где свет преобразуется в звук — возникает поверхностная акустическая волна. На поверхности пьезодиэлектрика — одна из составных частей модулятора сигнала — возникает звуковая волна. Она движется с меньшей скоростью, поэтому получается задержка сигнала.
«Существующие воспроизводящие устройства, так называемые модуляторы интенсивности поверхностных акустических волн, обладают еще одним большим недостатком. Возникает дифракция, то есть возникает отклонение от прямолинейного распространения волны. Еще один недочет — потеря интенсивности световой волны. Простыми словами, при таком подходе производства модуляторов потребители — мы с вами теряем качество изображения и звука», — пояснил Алексей Разумов.
Ученые Пензенского госуниверситета предложили инновационный способ — модулировать акустическую волну с использованием полупроводниковой квантовой ямы. Это позволит избежать всех выше перечисленных проблем.
Воспроизводящие устройства предлагается делать на основе того же самого пьезодиэлектрика. Поясним, пьезодиэлектрик на основе кристалла ниобата лития, представляющий собой бесцветный кристалл. Такой пьезодиэлектрик хорошо проводит звуковые колебания, на его поверхности возникают акустические волны.
Исследователи из ПГУ предлагают на основу воспроизводящего устройства — на пьезодиэлектрик нанести слои напыления, чтобы получился «сэндвич». На пьезодиэлектрик предлагается наносить диоксид кремния тонким слоем, примерно 30 нанометров. Затем полупроводник (антимонид индия) и вновь тонкий слой диоксида кремния.
«Слои диоксида кремния нужны для того, чтобы тонкая пленка полупроводника не расслоилась и не разрушилась. Они выполняют сохраняющую функцию. И с двух сторон подходят электроды, по которым подается переменное электрическое поле — тянущее поле. Тонкая полупроводниковая пленка на основе антимонида индия выступает в роли квантовой ямы», — добавил Алексей Разумов.
В квантовой яме электроны — носители заряда, — могут свободно двигаться в плоскости ямы, но будут ограничены в движении в поперечном направлении. К тому же, в квантовую яму, возможно вводить дополнительные примеси (серу, селен, другие элементы), к ним будет прикрепляться дополнительный электрон.
«В квантовой яме проводимость может иметь разные механизмы, то есть ток возникает по-разному. При нашем подходе можно проводить здесь модуляцию поверхностной акустической волны на основе прыжкового механизма проводимости. Два примесных атома в квантовой яме и электрон с одного атома под действием электрического поля „перепрыгивает” на другой, то есть получается перенос заряда», — поделился ученый.
Теоретические расчеты доказали эффективность предложенного метода. В преобразователях старого образца происходят потери на отражении, дифракции, поглощении света и звука. Предложенный метод от ученых ПГУ повысит эффективность до 70%.
«Станет доступным модулировать саму поверхностную акустическую волну. Меняя величину тока проводимости, у нас появляется возможность накладывать на основной сигнал акустической волны дополнительный модулирующий сигнал. Таким образом, после того, как волна достигает следующих преобразователей, акустическая волна преобразуется в электрический сигнал, уже промодулированный (модуляция произошла в структуре пьезодиэлектрика — полупроводниковая квантовая яма). И дальше он идет к потребителям на электронные устройства», — пояснил Алексей Разумов.
Основная идея проекта — изобретение можно использовать в линиях задержки электрических сигналов, фильтрах сложных сигналов, фазопреобразователях, а также для коррекции временных искажений сигналов. По словам ученых, их метод может найти применение везде, где нужно передавать и обрабатывать информацию. В настоящее время исследователи из ПГУ сотрудничают с коллегами из Москвы и Нижнего Новгорода.
Патентное решение готово к реализации.
