2021年6月3
桑迪亚国家实验室的科学家们建造了世界上最小最好的声学放大器。他们用的是一个几乎被遗弃了50年的概念。
根据5月13日发表的一篇论文自然通讯在美国，该设备的效率是早期版本的10倍以上。该设计和未来的研究方向为小型无线技术提供了希望。
现代手机里装满了收音机，用来收发电话、短信和高速数据。一个设备里的无线电越多，它能做的就越多。虽然大多数无线电元件，包括放大器，都是电子的，但作为声学设备，它们可以做得更小、更好。这意味着他们将使用声波而不是电子来处理无线电信号。
“声波设备本质上是紧凑的，因为在这些频率下，声音的波长非常小——比人类头发的直径还小，”桑迪亚大学的科学家丽莎·哈克特说。但到目前为止，这些元件中有许多是不可能使用声波的。
桑迪亚的276兆赫声学放大器仅为0.0008平方英寸(0.5平方毫米)，展示了通过声学使收音机更小的巨大潜力。放大2兆赫频率,进行现代得多的手机流量,该设备会更小,0.00003平方英寸(0.02平方毫米),一个足迹,舒服地容纳一粒食盐和10倍小于当前最先进的技术。
该团队还创造了第一个声波循环器，这是另一个分离发送和接收信号的关键无线电部件。Sandia的科学家Matt Eichenfield说，这些微小的部件代表了一条本质上未知的道路，使所有用无线电波发送和接收信息的技术变得更小、更复杂。
“我们是第一个证明，将通常在电子领域完成的功能应用到声学领域是可行的，”Eichenfield说。
复兴一个几十年前的设计
科学家们几十年前就尝试过制造声波射频放大器，但这些努力的最后一篇重要学术论文发表于20世纪70年代。
没有现代纳米制造技术，他们的设备性能太差，无法发挥作用。用旧设备将信号放大100倍需要0.4英寸(1厘米)的空间和2000伏特的电流。它们也产生了大量的热量，需要超过500毫瓦的电力。
经过改进的新放大器在某些方面比70年代的版本效率高出10倍以上。它可以在0.008英寸(0.2毫米)中提高信号强度的100倍，而只需要36伏特的电流和20毫瓦的功率。
之前的研究人员试图用半导体材料层来增强不能自行放大或循环的音响设备，但却陷入了死胡同。亚博网站下载为了让他们的概念发挥作用，添加的材料必须非常薄且质量非常高，但科学家们只有制造其中一种材料的技术。
几十年后，桑迪亚开发了这两种技术，通过添加一系列半导体材料薄层来改善光伏电池。亚博网站下载领导这项工作的桑迪亚科学家碰巧与艾臣菲尔德共用一间办公室。
“我有一些相当严重的外围暴露。我在办公室里经常听到，”Eichenfield说。"快进大概三年后，我读了这些论文出于对声电放大器工作的好奇以及他们试图做什么，我意识到桑迪亚所做的工作发展了这些技术基本上，我们需要的正是非常薄的半导体，并将它们转移到其他材料上，以实现这些设备的所有承诺。”亚博网站下载
桑迪亚的放大器是用半导体材料制成的，半导体材料有83层原子厚，比人的头发还要薄1000倍。亚博网站下载
将超薄半导体层融合到一个不同的声学设备上需要一个复杂的过程:在其他晶体上生长晶体，将它们连接到其他晶体上，然后用化学方法去除99.99%的材料，以产生一个完美光滑的接触面。亚博网站下载像这样的纳米制造方法被统称为异构集成，是桑迪亚微系统工程、科学和应用复合体以及整个半导体行业越来越感兴趣的一个研究领域。亚博老虎机网登录
放大器、循环器和滤波器通常是分开生产的，因为它们是不同的技术，但桑迪亚在同一个声电芯片上生产它们。在同一芯片上可以制造的技术越多，制造就会变得越简单、越高效。该团队的研究表明，剩余的无线电信号处理组件可以作为已经展示的设备的扩展。
这项工作由桑迪亚的实验室指导研发项目和综合纳米技术中心资助，该中心是桑迪亚和洛斯阿拉莫斯国家实验室联合运营的一个用户设施。
那么，这些小巧的收音机部件要多久才能装进你的手机呢?他说，将大规模生产的商业产品，如手机，转换成所有的声电技术，将需要对制造基础设施进行大规模的改革。但对于小型专用设备的生产来说，这项技术有更直接的前景。
桑迪亚的团队现在正在探索是否可以将他们的技术用于改进全光信号处理。他们还想知道这项技术是否能帮助分离和控制声音的单个量子，即声子，这可能会使它在一些量子计算机中用于控制和测量。
来源:https://www.sandia.gov/index.html