新研究利用声子效应可能将无线通信器件缩小100倍

在美国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一项突破性研究中，研究人员推出了一项新技术，该技术可能很快就会改变我们的设备通信、处理信息的方式，并使得设备更加小型化。这项技术以声子学（phononics）为中心，这是一个新兴领域，听起来可能像科幻小说，但很快就会变得非常真实和有影响力。

什么是声子

要理解这种创新，人们必须首先掌握什么是声子。声子是代表机械振动量子力学版本的准粒子。简单地说，它们对振动就像光子（光粒子）对于光一样，声子是通过晶体等振动系统传递能量的基本单位。

非线性声子学：游戏规则改变者

这项研究的重点是非线性声波相互作用，其中声子以非线性方式相互作用——这意味着它们的相互作用可以产生具有不同能量的新声子，而不仅仅是在没有相互作用的情况下相互通过。到目前为止，这种互动一直难以控制和利用。

突破性技术

最近发表在《自然材料》上的这项研究标志着一项重大进展。研究人员使用铌酸锂和砷化镓镓的复杂分层结构，成功地展示了迄今为止声子最有效的非线性相互作用。这种组合不是随机的，而是一种战略选择。铌酸锂以其强大的压电性能而闻名，这使其成为产生和控制声子的绝佳介质。与此同时，砷化镓，一种高流动性（high-mobility semiconductor）的半导体，可以有效地操作和传输这些声子。

这项研究的突出方面之一是创建了支持增强声子混合的异质结构，从而在声子相互作用中达到新 的效率水平。这是通过利用戊酸锂的压电性能与砷化镓的半导体特性相结合来实现的，并通过放大声子的半导体偏置场进一步增强。这种设置使研究人员所谓的“显著声子学非线性（giant phononic nonlinearities）”成为可能。

对无线技术的影响

这项技术的潜在应用是巨大的。 主要 好处之一是可能将设备小型化。目前的无线通信设备严重依赖电子和光子组件，这些组件占用了大量空间并需要功耗。这项研究的高级研究人员表示，通过使用基于声子的技术，设备尺寸可以缩小100倍。

此外，这些较小的设备耗电非常少。由于在传统设备中将信号从一种形式转换为另一种形式时，通常会减少能量损失，因此它们也可能具有更好的性能。这意味着更好的信号覆盖和更长的电池寿命——这对设备制造商和用户来说都是一直希望解决的问题。

前方的道路

该团队对他们研究的未来应用持乐观态度。他们已经演示了完全基于声波技术制造射频信号处理器的必要组件，这很快就会使得在单个芯片上制造整个系统成为可能。

研究人员解释说，这项研究可以让现在的通信设备更小、更高效。而且可以重新设想无线设备还可以做什么。通过声波组件，可以展望未来，通信设备不仅更容易放入用户的口袋，而且还能执行可能尚未想象的功能。

挑战和机遇

尽管这项新技术展现了很好的前景，但未来仍面临挑战。将声波组件集成到现有制造工艺中，并确保它们能够以负担得起的规模生产，是尚待克服的障碍。此外，该技术在日常使用条件下的可靠性和寿命仍有待全面测试。

然而，机会是巨大的。随着我们在功能、连接性和能效方面继续对便携式设备提出更多要求，声波技术是一个有前途的前沿。这不仅仅是增强现有设备，而且为下一代设备奠定基础。