声子学的进步可能会彻底改变无线技术使设备更小更高效

铅笔草图插图描绘了未来无线设备，例如耳塞或智能手机，内部带有基于声学技术的程式化表示。

想象一下，如果您的耳机可以完成智能手机已经可以做的所有事情，除了更好。这种看似科幻小说的场景可能并不遥远，这要归功于一种新型合成材料，它可能预示着无线技术的下一次革命。

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了基于声学的现实应用的一个重要里程碑，它可以使设备变得更小，需要更少的信号强度，并且使用更少的功率。

声子学的力量

声子学与光子学相似，两者都利用相似的物理定律并提供推进技术的新方法。虽然光子学利用光子(或光)，但声学对声子进行同样的处理，声子是通过材料传输机械振动的物理粒子，类似于声音，但频率太高而无法听到。

该研究的资深作者、亚利桑那大学光学科学学院和桑迪亚国家实验室联合聘用的马特·艾兴菲尔德(MattEichenfield)表示：“大多数人可能会惊讶地发现，他们的手机内有大约30个过滤器，而这些过滤器的唯一作用就是就是将无线电波转换成声波，然后再转换回来。”

这些由特殊微芯片制成的压电滤波器在智能手机每次接收或发送数据时都需要多次转换声波和电子波。然而，由于它们无法采用与前端处理器中其他至关重要的芯片相同的材料制成，因此设备的物理尺寸比所需的大得多，并且往返会造成损失无线电波和声波之间的叠加和降低性能。

巨声子非线性

在《自然材料》杂志上发表的论文中，研究人员证明了艾兴菲尔德所说的“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。

“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，”艾兴菲尔德说。“这有点像用一束激光束照射另一束激光束;他们只是互相穿越。”

该小组一直致力于实现以下目标：使用声波技术而不是基于晶体管的电子器件，以与标准微处理器制造兼容的方式在单个芯片上制造射频信号处理器所需的所有组件。通过最新出版物中描述的声学混音器，他们添加了最后一块拼图。

Eichenfield表示，将射频前端所需的所有组件集成到单个芯片上，可以将手机和其他无线通信设备等设备的尺寸缩小多达100倍。

该团队通过将高度专业化的材料结合到微电子大小的设备中来发送声波，从而完成了原理验证。通过将含有砷化铟镓的半导体超薄层添加到具有薄层铌酸锂的硅晶片上，研究人员创造了一种环境，在该环境中，穿过材料的声波会影响铟镓中的电荷分布砷化物半导体薄膜，使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。

艾兴菲尔德说：“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，你就会彻底改变这个领域。”

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，新技术可以为比当前同类产品更强大的电子设备打开大门。几乎不占用空间、具有更好的信号覆盖范围和更长的电池寿命的通信设备即将出现。