【產(chǎn)通社，1月29日訊】工程師們已經(jīng)研究成功如何在微芯片上產(chǎn)生的極其微小振動，類似我們常聽說的微型地震。這項技術(shù)有望在未來支持手機及其他無線電子設(shè)備中更先進芯片的開發(fā)，幫助這些設(shè)備變得更小、更快、更節(jié)能，從根本上改變智能手機等無線電子設(shè)備的制造方式。

該研究由科羅拉多大學(xué)博爾德分校（CU Boulder）Matt Eichenfield領(lǐng)導(dǎo)，并與亞利桑那大學(xué)和桑迪亞國家實驗室的合作者共同完成。他們的研究結(jié)果于1月14日發(fā)表在《自然》雜志上。

該裝置依賴于一種稱為表面聲波（SAW）的物理效應(yīng)。這些波的行為類似于聲波，但它們不是穿過材料的整體，而是沿著表面移動。

地震期間，大型沖擊波在地球表面蔓延，震動建筑并造成破壞。然而，在更小的規(guī)模上，振動波已經(jīng)融入日常技術(shù)中。

SAW器件對世界上許多最重要的技術(shù)至關(guān)重要，它們存在于所有現(xiàn)代手機、鑰匙扣、車庫門遙控器、大多數(shù)GPS接收器、許多雷達系統(tǒng)等。在智能手機中，SAW功能如同精確過濾器，讓手機接收來自基站的無線電信號，并將其轉(zhuǎn)化為微小的機械振動。這些振動使芯片能夠去除不需要的信號和噪聲，過濾后的信號會被轉(zhuǎn)換回無線電波用于通信。

在本次研究中，研究團隊開發(fā)了一種利用“聲子激光”制造SAW的新方法，工作原理類似普通激光筆，只是會產(chǎn)生振動。你可以把它想象成地震的沖擊波浪，只不過是在一個小芯片的表面。

如今的大多數(shù)SAW設(shè)備需要兩顆不同的芯片和一個電源來產(chǎn)生這些波。相比之下，團隊開發(fā)的設(shè)備僅使用單芯片，僅配合電池即可產(chǎn)生更高頻率的SAW波。

同樣，如今的大多數(shù)激光器被稱為“二極管激光器”，通過在半導(dǎo)體芯片表面的兩個微觀鏡子間反射光束來工作。當光來回反射時，它撞擊了半導(dǎo)體材料中由電池或其他電源通過電場的原子。在這個過程中，這些原子會噴射出更多的光，光束也變得更強大。

新開發(fā)的二極管激光器是大多數(shù)光學(xué)技術(shù)的基石，因為它們只需電池或簡單的電壓源即可作，而不需要像許多以往激光那樣需要更多光線才能產(chǎn)生激光。為此，團隊開發(fā)了一種形狀像條狀的裝置，長度約半毫米。該設(shè)備是一堆材料：成品時由硅晶圓制成，硅片與大多數(shù)計算機芯片中的材料相同。在其上方是一層薄薄的材料，稱為鈮酸鋰。鈮酸鋰是一種“壓電”材料，這意味著，它振動時會產(chǎn)生振蕩的電場，當存在電場時會產(chǎn)生振動。

最后，該裝置還包括一層更薄的砷化銦——這是一種特殊材料，當受到弱電場沖擊時，可以將電子加速到極其高速�？傮w而言，團隊的堆棧使鈮酸鋰表面的振動能夠直接與砷化銦中的電子相互作用。

當研究人員在砷化銦中施加電流時，薄層鈮酸鋰中會產(chǎn)生波。這些波向前沖動，撞擊反射器，然后又向后晃動——類似于激光中兩面鏡子間的光線反射。每當這些浪潮向前推進時，它們就會變得更強。每往后退，他們就會變得更弱一點。

這些波倒退時幾乎損失了99%動力，團隊把它設(shè)計成能獲得大量前進增益并克服這個缺點。經(jīng)過幾次彈跳，波浪變得非常大，部分波從一側(cè)泄漏出來，這相當于激光光從鏡子間積聚并泄漏出來。

該團隊能夠產(chǎn)生波紋波頻率約為1吉赫茲，即每秒數(shù)十億次的信號。但研究人員也認為，他們可以輕松將頻率提升到數(shù)十吉赫茲甚至數(shù)百吉赫茲。這比傳統(tǒng)SAW器件頻率高得多，傳統(tǒng)SAW器件通常最高約4吉赫茲。

邁向單芯片無線電

這款新器件可能會帶來更小、更高性能、更低功耗的無線設(shè)備，如手機。例如，在智能手機中，許多不同的芯片在你發(fā)送短信、打電話或上網(wǎng)時，都會多次將無線電波轉(zhuǎn)換成電波，再轉(zhuǎn)換回來。研究人員希望簡化這一流程，設(shè)計出能夠僅用SAW完成所有處理的單芯片。

研究人員說，“聲子激光器是需要擊倒的最后一塊多米諾骨牌，我們現(xiàn)在真的可以用同樣的技術(shù)把所有無線電所需的部件都組裝在一塊芯片上了�！�

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DOI：10.1038/s41586-025-09950-8