高精度半导体和压电材料结合，新型声学材料让无线设备更小更高效

研究人员使用多个微波频率表征在硅晶片上构建的非线性声子混合装置。 图片来源：桑迪亚国家实验室

据最新一期《自然·材料》杂志报道，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科研人员，共同研发出一种能够操纵声子的新型合成材料。这种材料被认为是声学应用中的一次重大突破。

研究人员将高精度半导体材料和压电材料相结合，成功地在声子之间产生了非线性相互作用。这一成果与之前的声子放大器技术相结合，为智能手机和其他无线数据发射器等设备实现更小、更高效、更强大的性能提供了可能。

智能手机中大约有30个由特殊微芯片制成的压电滤波器，负责将无线电波转换成声波，再转换回无线电波。这些滤波器是前端处理器的一部分，在每次数据交换时，都需要进行多次声波和电磁波的转换，不仅产生损耗，还降低了设备性能。由于滤波器不能使用硅等常规材料制造，导致手机的物理尺寸远大于实际需求。

传统上，声子的行为是完全线性的。在这项研究中，研究人员成功展示了声子的非线性行为。他们发现，在这种新型声学材料中，一束声子能够影响另一束声子的频率。更重要的是，声子可以通过类似于晶体管电子设备的方式进行操纵，这在过去是无法实现的。

研究人员表示，将所有射频前端组件集成在一个芯片上，有望将智能手机和其他无线通信设备的尺寸缩小至原来的百分之一。该团队已在微电子尺度的设备上完成了原理验证。

新技术有望打破当前射频处理硬件的物理尺寸限制。未来，人们或将迎来体积大幅缩小、信号覆盖更广、电池续航时间更长的通信设备。

功能强大的手机，已然成为随身的智能助手。未来，它会变成什么样？这在很大程度上依赖于材料科学的进步。新研发的声学材料通过使声子之间发生相互作用，让无线设备变得更加小巧、性能更优，这为智能手机的“进化”提供了重要思路。其实，随着众多新材料的涌现，手机可从多种途径实现更新迭代。比如，利用二维材料作为手机芯片，有望使手机打破摩尔定律的束缚，变得运行更快、能耗更低；使用光伏材料作为手机外壳，有望使手机随时借助阳光充电。这些，为未来手机形态提供了巨大的想象空间。