革命性声子材料：让无线设备更小、更强、更省电

声子学新材料实现巨大非线性声子相互作用，有望将射频前端集成单芯片缩小百倍

一类新合成材料或将引领无线技术下一场革命，使设备更小、需信号强度更低、功耗更少。

声子学与光子学类比

关键在于声子学，类似光子学。两者利用相似物理定律推进技术新途径。光子学利用光子，声子学利用声子——在材料中传递机械振动的物理粒子，类似声音但频率高得多超出听觉范围。

跨越里程碑：巨大非线性声子相互作用

亚利桑那大学Wyant光学科学学院与桑迪亚国家实验室研究人员在《Nature Materials》发表论文，报告声子学实际应用关键里程碑。结合高度专业化半导体材料和通常不共用的压电材料，实现声子间巨大非线性相互作用。结合早前利用相同材料演示声子放大器，开启制造更小、更高效、更强大无线设备（如智能手机、数据发射器）可能性。

"多数人可能惊讶手机内有约30个滤波器，唯一工作是将无线电波转声波再转回，"资深作者Matt Eichenfield说，他在亚利桑那大学光学科学学院和桑迪亚国家实验室联合任职。

作为前端处理器部分，这些压电滤波器在特制微芯片上制造，每次手机收发数据多次在声波和电波间转换。因不能用硅等相同材料制造（如前端处理器其他关键芯片），设备物理尺寸远超所需，且往返无线电波与声波转换累积损耗降低性能。

"通常声子行为完全线性，不相互作用，"他说，"像两激光笔光束穿过彼此，互不干扰。"

非线性声子学指特殊材料中声子可且确实相互作用。论文中研究者演示"巨大声子非线性"。团队合成材料使声子相互作用远强于常规材料。

"激光笔类比中，这像开启第二支激光笔时改变第一支光子频率，结果第一支光束变色，"他说。

新声子材料下，研究者演示一束声子可改变另一束频率。更关键是展示声子可按仅晶体管电子学能实现方式操控——直到现在。

"团队致力于用声波技术而非晶体管电子学，在单芯片上兼容标准微处理器制造制造射频信号处理器所有组件——最新出版物证明可行，"Eichenfield说。"此前成功制造声学放大器、开关等组件。最新声学混频器补全最后拼图。"

"现在可指着射频前端处理器图每个组件说：'是的，我能用声波在单芯片上造所有这些。'我们准备在声学领域造全套，"Eichenfield说。

百倍缩小潜力

Eichenfield称，单芯片集成射频前端所有组件可将手机等无线通信设备缩小百倍。

材料组合与机制

团队用薄层铌酸锂（压电器件和手机广泛用的合成材料）覆盖硅晶圆，添加超薄层（<100原子厚）砷化铟镓半导体。"以恰当方式结合这些材料，我们进入新声子非线性区域，"论文第一作者、桑迪亚工程师Lisa Hackett说，"这意味着我们有路径发明发射接收无线电波高性能技术，比以往可能更小。"

此设置中，声波穿过系统在材料中以非线性方式行为。此效应可改变频率编码信息。光子学常用非线性效应（如隐形激光光变可见激光笔），但声子学利用非线性受技术材料限制。如铌酸锂是已知最非线性声子材料之一，但单独使用时非线性极弱阻碍技术应用。

添加砷化铟镓半导体，Eichenfield团队创造声波穿过材料影响砷化铟镓半导体薄膜电荷分布，导致声波以可控特定方式混合，开放各种应用。

"这些材料产生有效非线性比以往大数百甚至数千倍，疯狂，"Eichenfield说，"若非线性光学能这样，将革命化该领域。"

前景展望

物理尺寸是当前最先进射频处理硬件根本限制之一，新技术或打开通往比现有对应物更强电子设备大门。占用近乎零空间、信号覆盖更好、电池寿命更长通信设备在望。

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