无线技术新革命：新的声学材料可能会带来更小、更强大的无线设备

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片上构建的非线性声子混合装置。来源：Bret Latter/桑迪亚国家实验室

　　如果你的耳机可以做你的智能手机已经能做的一切，除了更好的之外，会怎么样?听起来有点像科幻小说的东西实际上可能并不遥远。一类新的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，使用更少的功率。

　　这些进步的关键在于专家们所说的声子，它与光子学相似。两者都利用了相似的物理定律，并为技术进步提供了新的途径。虽然光子学利用光子或光，但光子学对声子也有同样的作用，声子是通过材料传递机械振动的物理粒子，类似于声音，但频率太高，听不见。

　　亚利桑那大学怀亚特光学科学学院和桑迪亚国家实验室的研究人员在《自然材料》杂志上发表的一篇论文中报告称，这为基于声子的真实世界应用扫清了一个重要里程碑。

　　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相结合，研究人员能够在声子之间产生巨大的非线性相互作用。再加上之前使用相同材料演示声子放大器的创新，这为智能手机或其他数据发射器等无线设备的体积更小、效率更高、功能更强大开辟了可能性。

新冠肺炎大流行期间，Matt Eichenfield（左）和Lisa Hackett在桑迪亚国家实验室的实验室拍摄。在之前研究的基础上，该团队现在已经生产出了声学混频器，完成了在单个芯片上制作射频前端所需的组件列表。来源：Bret Latter/桑迪亚国家实验室

　　该研究的资深作者Matt Eichenfield说：“大多数人可能会惊讶地发现，他们的手机里有大约30个滤波器，它们的唯一工作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，都需要多次转换声波和电子波。

　　Eichenfield说，因为这些芯片不能像前端处理器中其他至关重要的芯片那样由相同的材料制成，比如硅，所以设备的物理尺寸比它需要的要大得多，而且在这一过程中，无线电波和声波之间来回传输会造成损耗，这些损耗加起来会降低性能。

　　他说：“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作用。”。“这有点像把一束激光穿过另一束;它们只是互相穿过。”

　　Eichenfield说，非线性声子是指当声子能够并且确实相互作用时，在特殊材料中发生的事情。在这篇论文中，研究人员展示了他所说的“巨大的声子非线性”。研究团队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：“在激光指示器的类比中，这就像打开第二个激光指示器时改变第一个激光指示器中光子的频率。”。“结果，你会看到第一个光束的颜色发生了变化。”

　　利用新的声子材料，研究人员证明了一束声子实际上可以改变另一束的频率。此外，他们还表明，到目前为止，声子的操纵方式只能用基于晶体管的电子器件来实现。

　　该小组一直在努力实现在单个芯片上使用声波技术而不是基于晶体管的电子器件制造射频信号处理器所需的所有组件的目标，其方式与标准微处理器制造兼容，最新的出版物证明了这是可以实现的。此前，研究人员成功地制造了包括放大器、开关等在内的声学元件。通过最新出版物中描述的声学混合器，他们增加了最后一块拼图。

　　“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，’”Eichenfield说。“我们已经准备好在声学领域制造整个shebang。”

　　Eichenfield表示，在一个芯片上拥有制造射频前端所需的所有组件，可能会使手机和其他无线通信设备等设备缩小100倍。

　　该团队通过将高度专业化的材料组合成微电子尺寸的设备来发送声波，从而完成了原理验证。具体来说，他们取了一块带有铌酸锂薄层的硅片，并添加了一层含有砷化铟镓的半导体超薄层(厚度不到100个原子)。铌酸锂是一种广泛用于压电设备和手机的合成材料。

　　该论文的主要作者、桑迪亚工程师Lisa Hackett说：“当我们以正确的方式将这些材料结合在一起时，我们能够通过实验获得一种新的声子非线性机制。”。“这意味着我们有一条前进的道路，可以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。”

　　在这种设置中，穿过系统的声波在穿过材料时表现为非线性。这种效果可以用于改变频率和编码信息。非线性效应是光子学的主要内容，长期以来一直被用来将不可见激光等东西制成可见激光指示器，但由于技术和材料的限制，在声子中利用非线性效应受到了阻碍。例如，虽然铌酸锂是已知的最非线性的声子材料之一，但其在技术应用中的有用性受到阻碍，因为单独使用时这些非线性非常弱。

　　通过添加砷化铟镓半导体，Eichenfield的团队创造了一种环境，在这种环境中，传播通过材料的声波会影响砷化铟铟镓半导体膜中的电荷分布，导致声波以可控制的特定方式混合，从而为各种应用打开了系统的大门。

　　Eichenfield说：“使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，你将彻底改变这个领域。”

　　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，这项新技术可能会为比当前同类设备更强大的电子设备打开大门。几乎不占用空间、信号覆盖率更好、电池寿命更长的通信设备即将问世。

　　更多信息：Lisa Hackett等人，半导体-压电异质结构中的巨电子介导的声子非线性，自然材料(2024)