在感觉方式方面，眼睛就像微小的天线一样，可以接收光线和以极快速度传播​​的电磁波。当人类观察世界时，他们的眼睛会捕捉这些波并将其转换成大脑可以读取的颜色、形状和运动信号。这是一个无缝的过程，即使周围发生了很多事情，人们也能清楚地看到细节。

另一方面，耳朵更像麦克风，通过空气振动来捕捉声音。当有人说话时，声波会撞击耳膜，振动并向大脑发送信号。但与眼睛提供的清晰度不同，耳朵在嘈杂的环境中会遇到困难，因为在嘈杂的环境中，许多不同类型的声音可能会重叠。

宾夕法尼亚大学查理·约翰逊小组的博士生岳江将这一挑战与科学家在尝试利用现代技术过滤声音时面临的挑战进行了比较。“我们需要找到方法将重要信号与噪声隔离开来，尤其是在无线通信变得如此重要的情况下，”江说。“无数信号来自各个方向，干扰很容易干扰传输。”

为此，姜博士和约翰逊集团的团队开发出了一种利用克莱因隧穿效应控制声波的方法，该技术适用于高频范围。

“令人兴奋的是，我们已将克莱因隧穿(电子等粒子穿过能量屏障的运动)推向千兆赫范围，”查理·约翰逊说。“这些是手机的工作频率，因此我们的发现可以带来更快、更可靠的通信系统。”

该团队的研究成果发表在《设备》杂志上，标志着克莱因隧穿效应首次在如此高频率的声波中得到证实，为更高效、更快速、抗噪声的通信系统铺平了道路，并对量子信息系统具有重要意义，因为精确控制声音是其中的关键。通过微调声波的传播方式，这项研究可以带来更可靠的无线通信和先进技术。

他们研究的核心是声子晶体，这是一种工程材料，旨在以类似于光子晶体控制光的方式操纵声波。该团队将“雪花状”图案蚀刻到由氮化铝制成的超薄膜上，氮化铝是一种压电材料，可以将电信号转换为机械波，反之亦然，这些图案在引导声波通过狄拉克点方面发挥着至关重要的作用，这使得它们能够以最小的能量损失穿过能量屏障。

该膜厚度仅为 800 纳米，由宾夕法尼亚大学辛格纳米技术中心设计和制造。

江说：“雪花图案让我们可以微调波在材料中的传播方式，帮助我们减少不必要的反射，提高信号清晰度。”

为了验证他们的研究结果，研究人员与德克萨斯大学奥斯汀分校的 Keji Lai 研究小组合作，使用透射模式微波阻抗显微镜 (TMIM) 实时可视化声波。“TMIM 让我们能够看到这些波以千兆赫的频率穿过晶体，这为我们提供了确认克莱因隧穿发生所需的精度，”江说。

该团队的成功建立在 Lai 实验室之前的研究成果之上，该实验室探索了控制较低频率的声波。“我们之前与 Keji 的合作帮助我们理解了波的操控，”Johnson 说。“挑战在于将这种理解扩展到更高的频率。”

在最近的实验中，该团队展示了频率在 0.98 GHz 至 1.06 GHz 之间的声波近乎完美的传输。通过控制波进入声子晶体的角度，他们可以引导波穿过障碍物，而能量损失很小，这使得他们的方法成为一种非常有效的过滤和引导声音信号的方法。

随着团队成员不断前进，他们正在探索他们的研究成果在 6G 无线通信等领域的潜在应用，这些领域对更快的数据传输和更少的干扰的需求至关重要。

江说：“通过更精确地控制声波，我们可以让更多用户在密集的频带中同时连接。”

他们还在测试新材料，例如钪掺杂的氮化铝，这种材料可以增强克莱因隧穿效应，并在更高频率下提供更好的性能。“我们正在突破极限，看看我们能将这些原理延伸到多远，”江说，“以及如何将它们应用于经典技术和量子技术。”

最终，研究人员希望开发出超精确、角度相关的滤波器，用于各种应用，包括无线通信、医学成像和量子计算。

“这项研究才刚刚开始，”约翰逊说。“我们正在为新一代声学设备奠定基础，这些设备可能会真正改变我们对声波传输和控制的看法。”

版权说明：本站所有作品图文均由用户自行上传分享，仅供网友学习交流。若您的权利被侵害，请联系我们

标签：