新型聲學材料讓無線設(shè)備更小更高效

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

據(jù)最新一期《自然·材料》雜志報道，美國亞利桑那大學懷恩特光學科學學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。這種材料被認為是聲學應用中的一次重大突破。

研究人員將高精度半導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，負責將無線電波轉(zhuǎn)換成聲波，再轉(zhuǎn)換回無線電波。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，導致手機的物理尺寸遠大于實際需求。

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。

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的進步。新研發(fā)的聲學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。

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