華人團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)出可控制“毫米波”的晶體，為巨大通信帶寬提高潛力

“如何將高速數(shù)據(jù)傳輸速率進(jìn)一步提高”，或許是通信領(lǐng)域中所有人都在思考的技術(shù)問題。對于這個緊迫問題，業(yè)內(nèi)的研究人員對實(shí)現(xiàn)路徑存在著各自的看法和不同的意見。

不過，使用更高頻率的電磁波以更快的速率來傳輸，已經(jīng)是目前無可避免的趨勢。從 1G、2G、3G，到如今被廣泛應(yīng)用的 4G 網(wǎng)絡(luò)發(fā)展過程可以看出，人們使用的電波頻率越來越高。而隨著 5G 成為了今年的年度熱詞，已經(jīng)有部分地區(qū)正在建設(shè)高頻電磁波的 “未來化” 通信系統(tǒng)。

隨著不斷增長的帶寬需求，未來的無線通信系統(tǒng)無可避免地被推向了 100 GHz 至 1 THz 的區(qū)域，這已經(jīng)到達(dá) “極高頻” 的區(qū)間，美國在今年年初決定開放 “太赫茲波” 頻率段（95 GHz ~ 3 THz），提供給 6G 的相關(guān)實(shí)驗(yàn)使用，在 5G 方興未艾之時率先布局。

這刺激了研究人員對新信號源、調(diào)制器、諧振器、移相器，以及濾波器等互補(bǔ)設(shè)備的需求。但目前很少有滿足該頻段需求的裝置；同時，毫米波的電磁特性通常是固定的，并且具有 “寬” 的共振特征。而最近來自美國伊利諾伊大學(xué)香檳分校的研究人員將等離子、金屬和介電材料組合成了一種多功能的人造晶體，或可為更高帶寬的無線通信鋪平道路。

這項(xiàng)研究橫跨伊利諾伊大學(xué)香檳分校的電子計(jì)算機(jī)與工程、光學(xué)物理與工程，以及材料科學(xué)與工程系等專業(yè)，文章發(fā)表在近期的 Applied Physics Reviews 雜志上。三名并列第一作者都是該校的華人學(xué)者——孫鵬、張潤宇和陳聞遠(yuǎn)。DeepTech 與第一作者之一、該校電子計(jì)算機(jī)與工程系博士后研究員孫鵬就該研究進(jìn)行了交流。

圖 | 動態(tài)等離子體 / 金屬 / 介電晶體能夠過濾 100~300 GHz 范圍內(nèi)的電磁信號，并在任何給定的時間傳送所需的頻率；白光照射在晶體上象征著被晶體過濾的寬帶毫米波信號，其只允許窄帶輻射（以紅色、綠色或藍(lán)色的光束形式）穿過晶體（來源：孫鵬 / 伊利諾伊大學(xué)香檳分校）

孫鵬向 DeepTech 解釋道：“這項(xiàng)技術(shù)的格外特殊之處，在于它能在多頻率下同時產(chǎn)生多個通訊頻道。換句話說，它能允許多個通話同一時間在同一網(wǎng)絡(luò)下存在。而這一點(diǎn)也是未來高速通訊發(fā)展的核心。”

此前，過于高頻的波段一度被認(rèn)為是沒有使用價值的，因?yàn)閷?shí)在缺乏能夠發(fā)送或者接收毫米波的電子元件或設(shè)備。但這項(xiàng)研究或許將為通信設(shè)備提供巨大的帶寬潛力，而研究的關(guān)鍵就是 “動態(tài)等離子體” 與金屬和介電材料的設(shè)計(jì)。

等離子體（plasma）對于功能和頻率之間的快速切換至關(guān)重要，但是過往基于等離子體的電磁晶體都太大了，無法在高頻下工作。所以，孫鵬和他的同事們發(fā)現(xiàn)，突破的關(guān)鍵在于去創(chuàng)建一種可以讓等離子和金屬柱之間的間距小到操縱輻射波長的結(jié)構(gòu)。

“等離子體是除了固態(tài)、氣態(tài)和液態(tài)之外，物質(zhì)的第四種狀態(tài)。我們這項(xiàng)研究的創(chuàng)新點(diǎn)在于，通過等離子體來設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)三維動態(tài) （空間和時間）可調(diào)控的活性功能化材料。這個成果是多領(lǐng)域交叉研究的精妙呈現(xiàn)。”孫鵬說道。

圖 | 具有木樁結(jié)構(gòu)的三維等離子體光子晶體（PPCs）結(jié)構(gòu)圖像（來源：孫鵬）

從體積角度來看，電磁波的波長隨著頻率和帶寬的增加而縮短。他們?yōu)榱藢?shí)現(xiàn)工作在 100 GHz 以上頻率的高帶寬晶體，就需要進(jìn)行小規(guī)模設(shè)計(jì)。

孫鵬和他的同事們用 3D 打印制造出一種支架，這是所需網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)底片。隨后，他們將聚合物倒入，一旦凝固，再向直徑為 0.3 毫米的微毛細(xì)管中充滿等離子體、金屬和介電氣體。針對這個復(fù)制模塑（replica-molding ）技術(shù)，他們花了近五年的時間來完善木樁狀晶格中微毛細(xì)管的尺寸和間距。

孫鵬說：“組裝材料非常困難。但最終還是能夠使用設(shè)計(jì)的材料來觀測 100 GHz 到 300 GHz 頻率范圍內(nèi)的共振，這是一個針對很大的共振范圍的操作。”

此外，他還表示為滿足 100-300 GHz 的有效工作區(qū)間，這就意味著對等離子的電子密度有很高的要求。除了 3D 打印之外，還涉及軟光刻技術(shù)（Soft-Lithography） 等多步精細(xì)加工過程。所以，目前大規(guī)模應(yīng)用暫時還沒有考慮。

但孫鵬和同事們的這項(xiàng)研究表明，設(shè)計(jì)出晶體的電子特性的快速變化（例如在反射或傳輸信號之間的切換）可以通過簡單地打開或關(guān)閉幾個等離子體柱來實(shí)現(xiàn)。這樣的能力證實(shí)了這種動態(tài)且節(jié)能的設(shè)備如果用在通信領(lǐng)域時能起到的效用。

對于未來的研究，這篇文章通訊作者、也是負(fù)責(zé)人之一的 J. Gary Eden 教授表示，希望能進(jìn)一步優(yōu)化這種新器件的制造和開關(guān)效率。同時，也會嘗試深入研究其他的應(yīng)用之處，比如可以調(diào)節(jié)晶體以響應(yīng)特定分子（用在針對大氣污染物的共振），還可以用作高靈敏度的檢測器等。

圖 | 從左至右分別為：孫鵬、張潤宇、陳聞遠(yuǎn)（來源：本人提供）

孫鵬目前是伊利諾伊大學(xué)香檳分校的博士后研究員， 就職于電子計(jì)算機(jī)與工程系。他在今年獲得了伊利諾伊大學(xué)香檳分校土木與環(huán)境工程專業(yè)的博士學(xué)位，師從美國工程院院士 J. Gary Eden 教授和 Helen Nguyen 教授。同時，他擁有伊利諾伊大學(xué)香檳分校電子計(jì)算機(jī)與工程專業(yè)和北京大學(xué)生物醫(yī)學(xué)專業(yè)的雙碩士學(xué)位。

張潤宇在 2018 年獲得了伊利諾伊大學(xué)香檳分校材料科學(xué)與工程專業(yè)的博士學(xué)位，他的導(dǎo)師是上述實(shí)驗(yàn)的另一名通訊作者和負(fù)責(zé)人 Paul V. Braun 教授。他的本科也是在伊利諾伊大學(xué)香檳分校度過的，于 2012 年取得了該校機(jī)械工程專業(yè)的學(xué)士學(xué)位。

陳聞遠(yuǎn)同樣是本科時期就在伊利諾伊大學(xué)香檳分校就讀，他在 2018 年取得了機(jī)械工程專業(yè)的學(xué)士學(xué)位，隨后便繼續(xù)在該校攻讀電子工程專業(yè)的碩士學(xué)位。他從 2016 年的本科期間就跟隨 J. Gary Eden 教授進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，碩士階段則繼續(xù)在 Eden 的課題組中從事等離子體和超材料相關(guān)研究。

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參考：

https://doi.org/10.1063/1.5120037

https://www.eurekalert.org/emb_releases/2019-12/aiop-cdo120619.php