如果你的耳塞能做智能手机能做的一切，只是做得更好，那会怎样？这听起来有点像科幻小说，实际上可能并不遥远。一类新型合成材料可能预示着无线技术的下一次革命，它能使设备体积更小、信号强度要求更低、耗电量更少。
桑迪亚国家实验室的 Matt Eichenfield 团队使用多种微波频率来表征他们在硅晶片上制造的非线性声子混合装置。图片来源：Bret Latter/桑迪亚国家实验室
这些进步的关键在于专家们所说的声子学，它与光子学类似。两者都利用了类似的物理定律，为技术进步提供了新的途径。光子学利用的是光子，而声子学利用的也是声子，声子是一种物理粒子，通过材料传递机械振动，类似于声音，但频率太高，听不到。
亚利桑那大学怀恩特光学科学学院和桑迪亚国家实验室的研究人员在发表于《自然-材料》（Nature Materials）上的一篇论文中报告说，他们在基于声子学的实际应用方面取得了重大进展。通过将高度专业化的半导体材料和压电材料结合在一起，研究人员能够在声子之间产生巨大的非线性相互作用。结合之前利用相同材料展示声子放大器的创新成果，这为智能手机或其他数据发射器等无线设备变得更小、更高效、更强大提供了可能。
这项研究的资深作者马特-艾肯菲尔德（Matt Eichenfield）说："大多数人可能会惊讶地发现，他们的手机内有大约 30 个滤波器，其唯一的工作就是将无线电波转换成声波，然后再转换回来。"
他说，这些压电滤波器是所谓前端处理器的一部分，由特殊的微芯片制成，智能手机每次接收或发送数据时，都需要多次转换声波和电子波。艾申菲尔德说，由于这些滤波器不能像前端处理器中其他至关重要的芯片那样由硅等相同材料制成，因此设备的物理尺寸要比需要的大得多，而且在无线电波和声波之间来回转换时会产生损耗，这些损耗累积起来会降低设备的性能。
左为马特-艾肯菲尔德，右为丽莎-哈克特，图为 COVID-19 大流行期间他们在桑迪亚国家实验室的实验室。在先前研究的基础上，该团队现在已经生产出了声学混频器，完成了在单芯片上制造射频前端所需的元件清单。图片来源：Bret Latter/桑迪亚国家实验室
"通常情况下，声子的行为是完全线性的，这意味着它们不会相互影响。这有点像一束激光穿过另一束激光，它们只是互相穿过。"Eichenfield 说，非线性声子学是指在特殊材料中，当声子能够并确实相互影响时会发生的现象。在论文中，研究人员展示了他所说的"巨型声子非线性"。研究小组生产的合成材料使声子之间的相互作用比任何传统材料都要强烈得多。
