新型合成材料能使设备体积更小、信号强度要求更低、耗电量更少

桑迪亚国家实验室的 Matt Eichenfield 团队使用多种微波频率来表征他们在硅晶片上制造的非线性声子混合装置。图片来源：Bret Latter/桑迪亚国家实验室

这些进步的关键在于专家们所说的声子学，它与光子学类似。两者都利用了类似的物理定律，为技术进步提供了新的途径。光子学利用的是光子，而声子学利用的也是声子，声子是一种物理粒子，通过材料传递机械振动，类似于声音，但频率太高，听不到。

亚利桑那大学怀恩特光学科学学院和桑迪亚国家实验室的研究人员在发表于《自然-材料》（Nature Materials）上的一篇论文中报告说，他们在基于声子学的实际应用方面取得了重大进展。通过将高度专业化的半导体材料和压电材料结合在一起，研究人员能够在声子之间产生巨大的非线性相互作用。结合之前利用相同材料展示声子放大器的创新成果，这为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。

这项研究的资深作者马特-艾肯菲尔德（Matt Eichenfield）说："大多数人可能会惊讶地发现，他们的手机内有大约 30 个滤波器，其唯一的工作就是将无线电波转换成声波，然后再转换回来。"

他说，这些压电滤波器是所谓前端处理器的一部分，由特殊的微芯片制成，智能手机每次接收或发送数据时，都需要多次转换声波和电子波。艾申菲尔德说，由于这些滤波器不能像前端处理器中其他至关重要的芯片那样由硅等相同材料制成，因此设备的物理尺寸要比需要的大得多，而且在无线电波和声波之间来回转换时会产生损耗，这些损耗累积起来会降低设备的性能。

左为马特-艾肯菲尔德，右为丽莎-哈克特，图为 COVID-19 大流行期间他们在桑迪亚国家实验室的实验室。在先前研究的基础上，该团队现在已经生产出了声学混频器，完成了在单芯片上制造射频前端所需的元件清单。图片来源：Bret Latter/桑迪亚国家实验室

"通常情况下，声子的行为是完全线性的，这意味着它们不会相互影响。这有点像一束激光穿过另一束激光，它们只是互相穿过。"Eichenfield 说，非线性声子学是指在特殊材料中，当声子能够并确实相互影响时会发生的现象。在论文中，研究人员展示了他所说的"巨型声子非线性"。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。

他说："用激光指示器来比喻，这就好比当你打开第二根激光指示器时，第一根激光指示器的光子频率发生了变化。因此，你会看到第一支激光笔的光束改变了颜色。"

研究人员利用新型声子材料证明，一束声子实际上可以改变另一束声子的频率。更重要的是，他们证明了声子的操纵方式，而在此之前，只有基于晶体管的电子器件才能实现这种操纵方式。

该研究小组一直在努力实现这样一个目标，即利用声波技术而不是基于晶体管的电子技术，在单个芯片上制造出射频信号处理器所需的所有元件，并与标准微处理器制造工艺兼容，最新发表的论文证明了这一点。此前，研究人员已成功制造出包括放大器、开关等在内的声学元件。通过最新出版物中描述的声学混频器，他们完成了最后一块拼图。

Eichenfield说："现在，你可以指着射频前端处理器图中的每个元件说：'是的，可以用声波在一个芯片上制造出所有这些元件'。我们已经准备好在声学领域制造整个设备。"

在单个芯片上集成制造射频前端所需的所有元件，可使手机和其他无线通信小工具等设备的体积缩小 100 倍之多。

研究小组将高度专业化的材料结合到微电子尺寸的设备中，并通过这些设备发送声波，从而完成了原理验证。具体来说，他们在硅晶片上薄薄地涂上一层铌酸锂--一种广泛应用于压电设备和手机的合成材料--然后再加上一层超薄（厚度不到 100 个原子）的砷化镓铟半导体。

论文第一作者、桑迪亚工程师丽莎-哈克特（Lisa Hackett）说："当我们以正确的方式将这些材料结合在一起时，我们就能够通过实验获得新的声子非线性机制。这意味着我们有了发明比以往任何时候都更小的发送和接收无线电波的高性能技术的出路。"

在这种设置中，通过系统的声波在穿过材料时会出现非线性行为。这种效应可用于改变频率和编码信息。长期以来，非线性效应一直是光子学的主干，被用来将不可见的激光变成可见的激光指示器，但在声学中利用非线性效应却受到技术和材料的限制。例如，尽管铌酸锂是目前已知的非线性声子材料之一，但由于其本身的非线性非常弱，因此阻碍了其在技术应用中的实用性。

通过添加砷化铟镓半导体，Eichenfield 的研究小组创造了一种环境，在这种环境中，声波穿过材料时会影响砷化铟镓半导体薄膜中的电荷分布，导致声波以可控的特定方式混合，从而为该系统的各种应用打开了大门。

Eichenfield 说："使用这些材料可以产生的有效非线性是以前的数百甚至数千倍，这太疯狂了。如果能为非线性光学做同样的事情，那将彻底改变这个领域。"

作者说，由于物理尺寸是目前最先进的射频处理硬件的基本限制之一，这项新技术可以为比目前同类产品功能更强的电子设备打开大门。几乎不占空间、信号覆盖范围更广、电池寿命更长的通信设备即将问世。

编译来源：ScitechDaily