研究 | 使用 Klein 隧穿控制声波可改善声学信号过滤 ​

研究 | 使用 Klein 隧穿控制声波可改善声学信号过滤

另一方面，耳朵更像是麦克风，通过空气中的振动来捕捉声音。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可能会很挣扎，因为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江岳（Yue Jiang音译）将这一挑战与科学家在现代技术中过滤声音时面临的挑战进行了比较。“我们需要方法从噪声中分离出重要信号，尤其是在无线通信变得如此重要的情况下，”江岳说。“在许多方向传来的无数信号中，很容易发生干扰，从而影响传输。”

为此，江岳和她在约翰逊小组的团队开发了一种使用一种称为克莱因隧穿（Klein tunneling）的过程来控制声波的方法，应用于高频范围。

“令人兴奋的是，我们已经将克莱因隧穿（电子等粒子穿过能量屏障的运动）推向了千兆赫兹范围，”Charlie Johnson 说。“这些是你的手机运行的频率，所以我们的发现可能会带来更快、更可靠的通信系统。”

该团队的工作发表在《设备》（Device）杂志上，标志着克莱因隧穿首次用如此高频率的声波得到证明，为更高效、更快、抗噪声的通信系统铺平了道路，它对量子信息系统产生了影响，其中对声音的精确控制至关重要。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的技术。

Klein 在声子晶体中隧穿的艺术表现。雪花图案描绘了引导声波的蚀刻氮化铝膜，而探针则象征着将波运动可视化的 TMIM 技术。红色和蓝色的 Dirac 锥突出了波通过能量屏障的无损失传输。

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”图案蚀刻在由氮化铝制成的超薄膜上，氮化铝是一种将电信号转换为机械波的压电材料，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，这使它们能够以最小的能量损失穿过能量屏障。

这些膜只有 800 纳米厚，是在宾夕法尼亚大学的 Singh 纳米技术中心设计和制造的。

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

为了证实他们的结果，研究人员与德克萨斯大学奥斯汀分校 Keji Lai 的研究小组合作，使用透射模式微波阻抗显微镜 （TMIM） 实时可视化声波。“TMIM使我们能够看到这些波以千兆赫兹的频率穿过晶体，为我们提供了确认克莱因隧穿正在发生的精度，”江说。

该团队的成功建立在 Lai 实验室之前的工作基础上，该实验室探索了控制较低频率的声波。“我们早期与 Keji 的合作帮助我们了解了波浪操纵，”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，该团队展示了声波在 0.98 GHz 和 1.06 GHz 之间的频率下近乎完美的传输。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，这使他们的方法成为过滤和引导声音信号的高效方法。

随着团队成员的进步，他们正在探索他们的发现在 6G 无线通信等领域的潜在应用，在这些领域中，对更快数据传输和更少干扰的需求至关重要。

“通过更精确地控制声波，我们可以允许更多用户在密集的频段同时连接，”江岳说。

他们还在测试新材料，例如掺钪氮化铝，这种材料可以增强 Klein 隧穿的效果，并在更高频率下提供更好的性能。“我们正在挑战极限，看看我们能将这些原理扩展到多远，”江岳说，“以及如何将它们应用于经典和量子技术。

最终，研究人员希望为各种应用开发超精密、角度相关的滤波器，包括无线通信、医学成像和量子计算。

“这项研究只是一个开始，”Johnson 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。”

更多信息：Daehun Lee et al, Klein tunneling of gigahertz elastic waves in nanoelectromechanical metamaterials, Device (2024).