革命性的声子材料有望打造更小、更强大的无线设备

电子与传感器内幕

在桑迪亚国家实验室的马特·艾兴菲尔德 (Matt Eichenfield) 实验室中，他和他的团队使用多个微波频率来表征他们在硅晶片上构建的非线性声子混合装置。 （图片来源：Bret Latter/桑迪亚国家实验室）

一种新型合成材料可能预示着无线技术的下一次革命，使设备变得更小，需要更少的信号强度并使用更少的功率。

这些进步的关键在于声子学，它与光子学类似。两者都利用相似的物理定律，并提供了推进技术的新方法。光子学利用光子，而声学则利用声子，声子是通过材料传输机械振动的物理粒子，类似于声音，但频率太高而无法听到。

在Nature Materials上发表的一篇论文中 亚利桑那大学怀特光学科学学院和桑迪亚国家实验室的研究人员报告称，在基于声子学的实际应用中取得了一个重要的里程碑。通过将高度专业化的半导体材料和通常不一起使用的压电材料结合起来，研究人员能够在声子之间产生巨大的非线性相互作用。与之前展示的使用相同材料的声子放大器的创新相结合，这为使智能手机或其他数据发射器等无线设备变得更小、更高效、更强大提供了可能性。

该研究的资深作者、亚利桑那州光学科学学院和新墨西哥州阿尔伯克基桑迪亚国家实验室的联合教授马特·艾兴菲尔德 (Matt Eichenfield) 表示：“大多数人可能会惊讶地发现手机内有大约 30 个过滤器，它们的唯一作用就是将无线电波转换为声波并返回。”

他说，这些压电滤波器是前端处理器的一部分，由特殊的微芯片制成，每次智能手机接收或发送数据时，都会在声波和电波之间进行多次转换。 Eichenfield 表示，由于这些芯片无法采用与前端处理器中其他至关重要的芯片相同的材料（例如硅）制成，因此设备的物理尺寸比其需要的大得多，并且在此过程中，无线电波和声波之间的来回传输会产生损耗，从而增加并降低性能。

“通常情况下，声子以完全线性的方式表现，这意味着它们不会相互作用，”他说。 “这有点像用一束激光束照射另一束光；它们只是互相穿过。”

艾兴菲尔德说，非线性声子学是指当声子能够并且确实相互作用时，特殊材料中会发生什么。在论文中，研究人员展示了他所说的“巨大声子非线性”。研究小组生产的合成材料使声子之间的相互作用比任何传统材料都要强烈得多。

“在激光笔的类比中，这就像当你打开第二个激光笔时改变第一个激光笔中的光子频率，”他说。 “因此，您会看到第一根光束的颜色发生变化。”

利用新的声子学材料，研究人员证明，一束声子实际上可以改变另一束声子的频率。更重要的是，他们表明，声子的操控方式迄今为止只能通过基于晶体管的电子设备才能实现。

该小组一直致力于实现以下目标：使用声波技术而不是基于晶体管的电子器件，以与标准微处理器制造兼容的方式在单个芯片上制造射频信号处理器所需的所有组件——最新出版物证明这是可以做到的。此前，研究人员成功制造了包括放大器和开关在内的声学元件。通过最新出版物中描述的声学混音器，他们添加了最后一块拼图。

“现在，你可以指着射频前端处理器图中的每个组件说，‘是的，我可以用声波在一个芯片上制作所有这些组件，’”艾兴菲尔德说。 “我们已经准备好继续在声学领域进行整个工作。”

Eichenfield 表示，将制造射频前端所需的所有组件集成在单个芯片上，可以将手机和其他无线通信设备等设备的尺寸缩小多达 100 倍。

该团队通过在硅片上涂上一层薄薄的铌酸锂（一种广泛用于压电器件和手机的合成材料）并添加一层含有砷化铟镓的超薄半导体层（厚度小于 100 个原子）来完成原理验证。

该论文的主要作者、桑迪亚工程师 Lisa Hackett 表示：“当我们以正确的方式组合这些材料时，我们就能够获得一种新的声子非线性机制。” “这意味着我们有一条道路可以发明用于发送和接收无线电波的高性能技术，其体积比以往任何时候都小。”

在此设置中，穿过系统的声波在穿过材料时会以非线性方式表现。这种效应可用于改变频率和编码信息。作为光子学的主要内容，非线性效应长期以来一直被用来将不可见激光等物质变成可见激光指示器，但在声学中利用非线性效应一直受到技术和材料限制的阻碍。例如，虽然铌酸锂是已知最非线性的声子材料之一，但其在技术应用中的实用性受到以下事实的阻碍：这些非线性在单独使用时非常弱。

通过添加砷化镓半导体，艾兴菲尔德的团队创造了一个环境，在该环境中，穿过材料的声波会影响砷化镓半导体薄膜中的电荷分布，从而导致声波以可控制的特定方式混合，从而使该系统能够应用于各种应用。

艾兴菲尔德说：“用这些材料可以产生的有效非线性比以前大数百甚至数千倍，这太疯狂了。” “如果你能对非线性光学做同样的事情，你就会彻底改变这个领域。”

作者表示，由于物理尺寸是当前最先进的射频处理硬件的基本限制之一，这项新技术可能为比当前同类产品功能更强大的电子设备打开大门。几乎不占用空间、具有更好的信号覆盖范围和更长的电池寿命的通信设备即将出现。

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