研究人員使用多個微波頻率表征在硅晶片上構(gòu)建的非線性聲子混合裝置。 圖片來源：桑迪亞國家實驗室
科技日報記者?張佳欣
據(jù)最新一期《自然·材料》雜志報道，美國亞利桑那大學(xué)懷恩特光學(xué)科學(xué)學(xué)院和桑迪亞國家實驗室的科研人員，共同研發(fā)出一種能夠操縱聲子的新型合成材料。這種材料被認(rèn)為是聲學(xué)應(yīng)用中的一次重大突破。
研究人員將高精度半導(dǎo)體材料和壓電材料相結(jié)合，成功地在聲子之間產(chǎn)生了非線性相互作用。這一成果與之前的聲子放大器技術(shù)相結(jié)合，為智能手機和其他無線數(shù)據(jù)發(fā)射器等設(shè)備實現(xiàn)更小、更高效、更強大的性能提供了可能。
智能手機中大約有30個由特殊微芯片制成的壓電濾波器，負(fù)責(zé)將無線電波轉(zhuǎn)換成聲波，再轉(zhuǎn)換回?zé)o線電波。這些濾波器是前端處理器的一部分，在每次數(shù)據(jù)交換時，都需要進行多次聲波和電磁波的轉(zhuǎn)換，不僅產(chǎn)生損耗，還降低了設(shè)備性能。由于濾波器不能使用硅等常規(guī)材料制造，導(dǎo)致手機的物理尺寸遠(yuǎn)大于實際需求。
傳統(tǒng)上，聲子的行為是完全線性的。在這項研究中，研究人員成功展示了聲子的非線性行為。他們發(fā)現(xiàn)，在這種新型聲學(xué)材料中，一束聲子能夠影響另一束聲子的頻率。更重要的是，聲子可以通過類似于晶體管電子設(shè)備的方式進行操縱，這在過去是無法實現(xiàn)的。
研究人員表示，將所有射頻前端組件集成在一個芯片上，有望將智能手機和其他無線通信設(shè)備的尺寸縮小至原來的百分之一。該團隊已在微電子尺度的設(shè)備上完成了原理驗證。
新技術(shù)有望打破當(dāng)前射頻處理硬件的物理尺寸限制。未來，人們或?qū)⒂瓉眢w積大幅縮小、信號覆蓋更廣、電池續(xù)航時間更長的通信設(shè)備。
總編輯圈點
功能強大的手機，已然成為隨身的智能助手。未來，它會變成什么樣？這在很大程度上依賴于材料科學(xué)的進步。新研發(fā)的聲學(xué)材料通過使聲子之間發(fā)生相互作用，讓無線設(shè)備變得更加小巧、性能更優(yōu)，這為智能手機的“進化”提供了重要思路。其實，隨著眾多新材料的涌現(xiàn)，手機可從多種途徑實現(xiàn)更新迭代。比如，利用二維材料作為手機芯片，有望使手機打破摩爾定律的束縛，變得運行更快、能耗更低；使用光伏材料作為手機外殼，有望使手機隨時借助陽光充電。這些，為未來手機形態(tài)提供了巨大的想象空間。
