如果你的耳塞能做智慧型手機能做的一切，只是做得更好，那會怎麼樣？這聽起來有點像科幻小說，實際上可能並不遙遠。一類新型合成材料可能預示著無線技術的下一次革命，它能使設備體積更小、訊號強度要求更低、耗電量更少。

桑迪亞國家實驗室的Matt Eichenfield 團隊使用多種微波頻率來表徵他們在矽晶片上製造的非線性聲子混合裝置。圖片來源：Bret Latter/桑迪亞國家實驗室

這些進步的關鍵在於專家所說的聲學，它與光子學類似。兩者都利用了類似的物理定律，為技術進步提供了新的途徑。光子學利用的是光子，而聲子學利用的也是聲子，聲子是一種物理粒子，透過材料傳遞機械振動，類似聲音，但頻率太高，聽不到。

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研究人員在發表於《自然-材料》（Nature Materials）上的一篇論文中報告說，他們在基於聲子學的實際應用方面取得了重大進展。透過將高度專業化的半導體材料和壓電材料結合在一起，研究人員能夠在聲子之間產生巨大的非線性相互作用。結合先前利用相同材料展示聲子放大器的創新成果，這為智慧型手機或其他數據發射器等無線設備變得更小、更有效率、更強大提供了可能。

這項研究的資深作者馬特-艾肯菲爾德（Matt Eichenfield）說：”大多數人可能會驚訝地發現，他們的手機內有大約30 個濾波器，其唯一的工作就是將無線電波轉換成聲波，然後再轉換回來。

他說，這些壓電濾波器是所謂前端處理器的一部分，由特殊的微晶片製成，智慧型手機每次接收或發送資料時，都需要多次轉換聲波和電子波。艾申菲爾德說，由於這些濾波器不能像前端處理器中其他至關重要的晶片那樣由矽等相同材料製成，因此設備的物理尺寸要比需要的大得多，而且在無線電波和聲波之間來回轉換時會產生損耗，這些損耗累積起來會降低設備的效能。

左為馬特-艾肯菲爾德，右為麗莎-哈克特，圖為COVID-19 大流行期間他們在桑迪亞國家實驗室的實驗室。在先前研究的基礎上，該團隊現在已經生產出了聲學混頻器，完成了在單晶片上製造射頻前端所需的元件清單。圖片來源：Bret Latter/桑迪亞國家實驗室

“通常情況下，聲子的行為是完全線性的，這意味著它們不會相互影響。這有點像一束激光穿過另一束激光，它們只是互相穿過。”Eichenfield 說，非線性聲子學是指在特殊材料中，當聲子能夠並且確實相互影響時會發生的現象。在論文中，研究人員展示了他所說的”巨型聲子非線性”。研究小組所生產的合成材料使聲子之間的相互作用比任何傳統材料都要強烈得多。

他說：「用雷射指示器來比喻，這就好比當你打開第二根雷射指示器時，第一根雷射指示器的光子頻率發生了變化。因此，你會看到第一支雷射筆的光束改變了顏色。

研究人員利用新型聲子材料證明，一束聲子實際上可以改變另一束聲子的頻率。更重要的是，他們證明了聲子的操縱方式，而在此之前，只有基於電晶體的電子裝置才能實現這種操縱方式。

該研究小組一直在努力實現這樣一個目標，即利用聲波技術而不是基於晶體管的電子技術，在單個晶片上製造出射頻信號處理器所需的所有元件，並與標準微處理器製造工藝兼容，最新發表的論文證明了這一點。先前，研究人員已成功製造出包括擴大機、開關等在內的聲學元件。透過最新出版物中描述的聲學混頻器，他們完成了最後一塊拼圖。

Eichenfield說：「現在，你可以指著射頻前端處理器圖中的每個元件說：『是的，可以用聲波在一個晶片上製造出所有這些元件』。我們已經準備好在聲學領域製造整個設備。

在單一晶片上整合製造射頻前端所需的所有元件，可使手機和其他無線通訊小工具等設備的體積縮小100 倍之多。

研究小組將高度專業化的材料結合到微電子尺寸的設備中，並透過這些設備發送聲波，從而完成了原理驗證。具體來說，他們在矽晶片上薄薄地塗上一層鈮酸鋰–一種廣泛應用於壓電設備和手機的合成材料–然後再加上一層超薄（厚度不到100 個原子）的砷化鎵銦半導體。

論文第一作者、桑迪亞工程師麗莎-哈克特（Lisa Hackett）說：「當我們以正確的方式將這些材料結合在一起時，我們就能夠透過實驗獲得新的聲子非線性機制。這意味著我們有了發明比以往任何時候都更小的發送和接收無線電波的高性能技術的出路。

在這種設定中，通過系統的聲波在穿過材料時會出現非線性行為。這種效應可用於改變頻率和編碼資訊。長期以來，非線性效應一直是光子學的主幹，被用來將不可見的雷射變成可見的雷射指示器，但在聲學中利用非線性效應卻受到技術和材料的限制。例如，儘管鈮酸鋰是目前已知的非線性聲子材料之一，但由於其本身的非線性非常弱，因此阻礙了其在技術應用中的實用性。

透過添加砷化銦鎵半導體，Eichenfield 的研究小組創造了一種環境，在這種環境中，聲波穿過材料時會影響砷化銦鎵半導體薄膜中的電荷分佈，導致聲波以可控的特定方式混合，從而為該系統的各種應用打開了大門。

Eichenfield 說：”使用這些材料可以產生的有效非線性是以前的數百甚至數千倍，這太瘋狂了。如果能為非線性光學做同樣的事情，那將徹底改變這個領域。”

作者說，由於實體尺寸是目前最先進的射頻處理硬體的基本限制之一，這項新技術可以為比目前同類產品功能更強的電子設備打開大門。幾乎不佔空間、訊號覆蓋範圍更廣、電池壽命更長的通訊設備即將問世。

編譯來源：ScitechDaily