良好的振动新技术可能会带来更小更强大的无线设备

这些进步的关键在于专家们所称的声子学，它与光子学类似。两者都利用了类似的物理定律，并提供了推动技术发展的新方法。光子学利用光子(或光)，而声子学则利用声子，声子是一种物理粒子，它通过材料传输机械振动，类似于声音，但频率太高，人耳无法听到。

在《自然材料》杂志发表的一篇论文中，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报告称，他们为基于声子学的实际应用开辟了重要的里程碑。通过结合高度专业化的半导体材料和通常不一起使用的压电材料，研究人员能够在声子之间产生巨大的非线性相互作用。结合之前使用相同材料演示声子放大器的创新，这为制造智能手机或其他数据发射器等无线设备更小、更高效、更强大提供了可能性。

“大多数人可能会惊讶地听到他们的手机里面有大约30个滤波器，它们的唯一作用是将无线电波转换成声波并反之，”这项研究的资深作者、亚利桑那大学光学科学学院和新墨西哥州阿尔伯克基的桑迪亚国家实验室的联合任职马特·艾肯菲尔德(MattEichenfield)说。

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。艾肯菲尔德说，由于这些滤波器不能用与前端处理器中其他至关重要的芯片相同的材料(如硅)制成，因此设备的物理尺寸比实际需要的大得多，而且在此过程中，无线电波和声波之间来回传输会产生损耗，这些损耗会累积起来并降低性能。

“通常情况下，声子的行为完全是线性的，这意味着它们不会相互作用，”他说。“这有点像用一束激光照射另一束;它们只是互相穿过。”

艾肯菲尔德说，非线性声子学指的是特殊材料中声子能够相互作用的情况。在这篇论文中，研究人员展示了他所说的“巨大声子非线性”。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。

“以激光笔为例，这就像打开第二个激光笔时改变第一个激光笔中光子的频率，”他说。“结果，你会看到第一个激光笔发出的光束颜色发生了变化。”

利用这种新型声子材料，研究人员证明，一束声子实际上​​可以改变另一束声子的频率。此外，他们还表明，迄今为止，只有基于晶体管的电子器件才能实现对声子的操控。

该团队一直致力于实现这一目标：使用声波技术而非基于晶体管的电子器件，在单个芯片上制造射频信号处理器所需的所有组件，以与标准微处理器制造兼容的方式制造，而最新发表的文章证明了这是可以实现的。此前，研究人员成功制造了包括放大器、开关等在内的声学组件。借助最新发表的文章中描述的声学混频器，他们完成了拼图的最后一块。

“现在，你可以指着射频前端处理器图表中的每个组件说，‘是的，我可以用声波将所有这些组件制作在一个芯片上，’”艾肯菲尔德说。“我们已准备好在声学领域制造整个产品。”

艾肯菲尔德称，在单个芯片上集成制造射频前端所需的所有元件可以使手机和其他无线通信设备等的体积缩小100倍。

该团队通过将高度专业化的材料组合到微电子尺寸的设备中来发送声波，从而完成了原理验证。具体来说，他们采用了一块硅晶片，上面有一层薄薄的铌酸锂(一种广泛用于压电设备和手机的合成材料)，并添加了一层超薄层(厚度不到100个原子)的含砷化铟镓半导体。

“当我们以正确的方式组合这些材料时，我们能够通过实验获得一种新的声子非线性状态，”桑迪亚工程师、论文的主要作者丽莎·哈克特(LisaHackett)表示。“这意味着我们有一条前进的道路，可以发明出比以往更小的高性能无线电波发送和接收技术。”

在这种设置中，穿过系统的声波在穿过材料时会表现出非线性行为。这种效应可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，长期以来一直用于将不可见的激光等物质制成可见的激光指示器，但由于技术和材料的限制，声子学中非线性效应的利用一直受到阻碍。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实用性受到这些非线性在单独使用时非常弱这一事实的阻碍。

通过添加铟镓砷半导体，艾肯菲尔德研究小组创造了一种环境，其中穿过材料的声波会影响铟镓砷半导体薄膜中的电荷分布，导致声波以可控制的特定方式混合，从而使该系统适用于各种应用。

“利用这些材料产生的有效非线性比以前可能产生的非线性大数百倍甚至数千倍，这太疯狂了，”艾肯菲尔德说。“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。”

作者认为，由于物理尺寸是当前最先进的射频处理硬件的根本限制之一，新技术可以为比当前同类产品功能更强大的电子设备打开大门。几乎不占用空间、信号覆盖范围更广、电池寿命更长的通信设备即将问世。