在感觉模式的背景下，眼睛就像微小的天线一样工作，接收以极快的速度传播的光和电磁波。当人类看世界时，他们的眼睛会捕捉到这些波，并将其转化为大脑读取的信号，如颜色、形状和运动。这是一个无缝的过程，即使周围发生了很多事情，人们也能清楚地看到细节。
另一方面，耳朵的作用更像是麦克风，通过空气中的振动捕捉声音。当有人说话时，声波击中耳膜，振动并向大脑发送信号。但与眼睛提供的清晰度不同，耳朵在嘈杂的环境中可能会遇到困难，因为许多不同类型的声音可能会重叠。
宾夕法尼亚大学（University of Pennsylvania）查理·约翰逊小组（Charlie Johnson Group）的博士生蒋岳（Yue Jiang）将这一挑战与科学家在现代技术中试图过滤声音时所面临的挑战进行了比较。“我们需要把重要的信号从噪音中分离出来，尤其是在无线通信变得如此重要的情况下，”江说。“由于来自多个方向的无数信号，传输很容易受到干扰。”
为此，蒋和她在约翰逊集团的团队已经开发出一种方法来控制声波，使用一种称为克莱因隧道的过程，应用于高频范围。
“令人兴奋的是，我们已经将克莱因隧道——像电子这样的粒子通过能量势垒的运动——推进到了千兆赫的范围，”查理·约翰逊说。“这些是你的手机运行的频率，所以我们的发现可能会导致更快、更可靠的通信系统。”
该团队的研究成果发表在《设备》杂志上，标志着克莱因隧道首次在如此高频率的声波中得到证明，为更高效、更快、抗噪声的通信系统铺平了道路，它对量子信息系统也有影响，在量子信息系统中，精确控制声音是至关重要的。通过微调声波的传播方式，这项研究可能会带来更可靠的无线通信和先进的技术。
他们研究的核心是声子晶体，这种工程材料被设计成以类似于光子晶体控制光的方式来操纵声波。该团队将“雪花状”图案蚀刻在由氮化铝制成的超薄膜上，氮化铝是一种压电材料，可以将电信号转换为机械波，反之亦然，这些图案在引导声波通过狄拉克点方面起着至关重要的作用，狄拉克点允许声波以最小的能量损失通过能量障碍。
这种膜只有800纳米厚，是由宾夕法尼亚大学辛格纳米技术中心设计和制造的。
“雪花图案可以让我们微调波在材料中的传播方式，”Jiang说，“帮助我们减少不必要的反射，提高信号清晰度。”
为了证实他们的结果，研究人员与德克萨斯大学奥斯汀分校的Keji Lai研究小组合作，使用透射模式微波阻抗显微镜（TMIM）实时可视化声波。“TMIM可以让我们看到这些波以千兆赫兹的频率穿过晶体，这给了我们确认克莱因隧道正在发生所需的精度，”江说。
该团队的成功建立在Lai实验室之前的工作基础上，该实验室探索了控制较低频率的声波。“我们早期与Keji的合作帮助我们理解了波浪的操纵，”约翰逊说。“挑战在于将这种理解扩展到更高的频率。”
在最近的实验中，该团队展示了频率在0.98 GHz到1.06 GHz之间的声波近乎完美的传输。通过控制声波进入声子晶体的角度，他们可以以很少的能量损失引导声波穿过屏障，使他们的方法成为过滤和引导声音信号的一种非常有效的方法。
随着团队成员的发展，他们正在探索他们的发现在6G无线通信等领域的潜在应用，在这些领域，对更快的数据传输和更少的干扰的需求至关重要。
蒋说：“通过更精确地控制声波，我们可以让更多的用户同时在人口密集的频段上连接。”
他们还在测试新材料，比如掺钪的氮化铝，这种材料可以增强克莱因隧穿的效果，并在更高的频率下提供更好的性能。“我们正在挑战极限，看看我们能将这些原理扩展到什么程度，”江说，“以及它们如何应用于经典技术和量子技术。”
最终，研究人员希望开发出超精密、角度相关的滤波器，用于各种应用，包括无线通信、医学成像和量子计算。
“这项研究仅仅是个开始，”约翰逊说。“我们正在为新一代声学设备奠定基础，这可能会真正改变我们对声波传输和控制的看法。”
