Управление звуковыми волнами с помощью туннелирования Клейна улучшает фильтрацию акустического сигнала

Управление звуковыми волнами с помощью туннелирования Клейна улучшает фильтрацию акустического сигнала

  • 20.10.2024 11:05

В контексте сенсорных модальностей глаза работают как крошечные антенны, улавливая свет, электромагнитные волны, движущиеся с молниеносной скоростью. Когда люди смотрят на мир, их глаза улавливают эти волны и преобразуют их в сигналы, которые мозг считывает как цвета, формы и движение. Это непрерывный процесс, который позволяет людям ясно видеть детали, даже когда вокруг них происходит много всего.

Уши, с другой стороны, действуют скорее как микрофоны, улавливая звук через колебания воздуха. Когда кто-то говорит, звуковые волны ударяют по барабанным перепонкам, вибрируя и посылая сигналы в мозг. Но в отличие от ясности, которую обеспечивают глаза, уши могут испытывать трудности в шумной обстановке, где могут накладываться друг на друга многие различные типы звуков.

Юэ Цзян, аспирант группы Чарли Джонсона в Пенсильванском университете, сравнивает эту проблему с тем, с чем сталкиваются учёные, пытаясь отфильтровать звук в современных технологиях. «Нам нужны способы изолировать важные сигналы от шума, особенно с учетом того, что беспроводная связь становится столь необходимой», — говорит Цзян. «С бесчисленными сигналами, поступающими со многих направлений, помехи легко могут помешать передаче».

С этой целью Цзян и её команда в Johnson Group разработали способ управления звуковыми волнами с помощью процесса, называемого туннелированием Клейна, применяемого в диапазоне высоких частот.

«Что интересно в этом, так это то, что мы продвинули туннелирование Клейна — движение частиц, таких как электроны, через энергетический барьер — до гигагерцового диапазона», — говорит Чарли Джонсон. «Это частоты, на которых работает ваш мобильный телефон , поэтому наши открытия могут привести к созданию более быстрых и надёжных систем связи».

Работа команды, опубликованная в журнале Device , знаменует собой первый случай, когда туннелирование Клейна было продемонстрировано с использованием звуковых волн на таких высоких частотах, что открывает путь для более эффективных, быстрых и устойчивых к шуму систем связи, и имеет значение для квантовых информационных систем, где точный контроль звука имеет решающее значение. Благодаря тонкой настройке распространения звуковых волн исследование может привести к более надёжной беспроводной связи и передовым технологиям.

В основе их исследований лежат фононные кристаллы, инженерные материалы, предназначенные для управления звуковыми волнами способом, аналогичным тому, как фотонные кристаллы управляют светом. Команда вытравила «снежинки» на сверхтонких мембранах из нитрида алюминия, пьезоэлектрического материала, который преобразует электрические сигналы в механические волны и наоборот, и эти узоры играют решающую роль в направлении звуковых волн через точки Дирака, которые позволяют им проходить через энергетические барьеры с минимальными потерями энергии.

Мембраны толщиной всего 800 нанометров были разработаны и изготовлены в Центре нанотехнологий имени Сингха при Пенсильванском университете.

«Рисунок снежинок позволяет нам точно настроить распространение волн через материал, — говорит Цзян, — помогая нам уменьшить нежелательные отражения и повысить чёткость сигнала».

Для подтверждения своих результатов исследователи сотрудничали с исследовательской группой Кэджи Лая в Техасском университете в Остине, используя микроволновую импедансную микроскопию в режиме пропускания (TMIM) для визуализации звуковых волн в реальном времени. «TMIM позволила нам увидеть, как эти волны движутся через кристаллы на гигагерцовых частотах, что дало нам точность, необходимую для подтверждения того, что происходит туннелирование Клейна», — говорит Цзян.

Успех команды основывается на предыдущей работе с лабораторией Лая, которая исследовала управление звуковыми волнами на более низких частотах. «Наша ранняя работа с Кеджи помогла нам понять манипуляцию волнами», — говорит Джонсон. «Задача заключалась в том, чтобы распространить это понимание на гораздо более высокие частоты».

В недавних экспериментах команда продемонстрировала почти идеальную передачу звуковых волн на частотах от 0,98 ГГц до 1,06 ГГц. Контролируя угол, под которым волны входили в фононные кристаллы, они могли направлять волны через барьеры с небольшой потерей энергии, что сделало их метод высокоэффективным способом фильтрации и направления звуковых сигналов.

По мере продвижения вперед члены команды изучают потенциальные возможности применения своих открытий в таких областях, как беспроводная связь 6G, где критически важна более быстрая передача данных и меньшие помехи.

«Более точно управляя звуковыми волнами, мы могли бы позволить большему количеству пользователей одновременно подключаться в густонаселённых частотных диапазонах», — говорит Цзян.

Они также тестируют новые материалы, такие как нитрид алюминия, легированный скандием, который может усилить эффект туннелирования Клейна и обеспечить ещё лучшую производительность на более высоких частотах. «Мы раздвигаем границы, чтобы увидеть, насколько далеко мы можем расширить эти принципы», — говорит Цзян, «и как их можно применить как к классическим, так и к квантовым технологиям».

В конечном итоге исследователи надеются разработать сверхточные фильтры, зависящие от угла, для различных приложений, включая беспроводную связь, медицинскую визуализацию и квантовые вычисления.

«Это исследование — только начало», — говорит Джонсон. «Мы закладываем основу для нового поколения акустических устройств, которые действительно могут изменить наши представления о передаче и контроле звуковых волн».


Автор Станислав Иванов

Контакты, администрация и авторы