Die Kontrolle von Schallwellen mit Klein-Tunneling verbessert die akustische Signalfilterung

Im Kontext sensorischer Modalitäten funktionieren die Augen wie winzige Antennen, die Licht und elektromagnetische Wellen einfangen, die sich blitzschnell ausbreiten. Wenn Menschen die Welt betrachten, nehmen ihre Augen diese Wellen auf und wandeln sie in Signale um, die das Gehirn als Farben, Formen und Bewegungen interpretiert. Es handelt sich um einen transparenten Prozess, der es Benutzern ermöglicht, Details klar zu erkennen, auch wenn um sie herum viel los ist.

Ohren hingegen wirken eher wie Mikrofone und erfassen Schall durch Vibrationen in der Luft. Wenn jemand spricht, treffen Schallwellen auf das Trommelfell, vibrieren und senden Signale an das Gehirn. Aber anders als die Klarheit, die die Augen bieten, können die Ohren in lauten Umgebungen, in denen sich viele verschiedene Arten von Geräuschen überlagern können, Probleme haben.

Yue Jiang, ein Ph.D. Student der Charlie Johnson Group an der University of Pennsylvania, vergleicht diese Herausforderung mit der Herausforderung, vor der Wissenschaftler stehen, wenn sie versuchen, Schall mithilfe moderner Technologie zu filtern. „Wir brauchen Möglichkeiten, wichtige Signale vom Rauschen zu isolieren, insbesondere da drahtlose Kommunikation so wichtig wird“, sagt Jiang. „Da unzählige Signale aus vielen Richtungen kommen, kann es leicht zu Störungen bei der Übertragung kommen.“

Zu diesem Zweck entwickelten Jiang und sein Team bei der Johnson Group eine Möglichkeit, Schallwellen mithilfe eines Prozesses namens Klein-Tunneling zu kontrollieren, der in einem Hochfrequenzbereich angewendet wird.

„Das Spannende ist, dass wir den Klein-Tunnel (die Bewegung von Teilchen wie Elektronen durch eine Energiebarriere) in den Gigahertz-Bereich gebracht haben“, sagt Charlie Johnson. „Das sind die Frequenzen, auf denen Ihr Mobiltelefon arbeitet, daher könnten unsere Erkenntnisse zu schnelleren und zuverlässigeren Kommunikationssystemen führen.“

Die Arbeit des Teams, veröffentlicht in der Zeitschrift Gerätist das erste Mal, dass Klein-Tunneling mit Schallwellen bei so hohen Frequenzen demonstriert wurde, was den Weg für effizientere, schnellere und rauschresistentere Kommunikationssysteme ebnet und Auswirkungen auf Kommunikationssysteme mit Quanteninformation hat, bei denen es um eine präzise Steuerung von Schall geht ist wesentlich. Durch die Verfeinerung der Ausbreitung von Schallwellen könnte die Forschung zu zuverlässigerer drahtloser Kommunikation und fortschrittlicheren Technologien führen.

Im Mittelpunkt ihrer Forschung stehen phononische Kristalle, Materialien, die Schallwellen auf die gleiche Weise manipulieren sollen, wie photonische Kristalle Licht steuern. Das Team ätzte „schneeflockenartige“ Muster auf ultradünne Membranen aus Aluminiumnitrid, einem piezoelektrischen Material, das elektrische Signale in mechanische Wellen umwandelt und umgekehrt. Diese Muster spielen eine entscheidende Rolle bei der Führung von Schallwellen durch Dirac-Punkte, die dies ermöglichen Sie können Energiebarrieren mit minimalem Energieverlust überwinden.

Die nur 800 Nanometer dicken Membranen wurden im Penn’s Singh Center for Nanotechnology entworfen und hergestellt.

„Schneeflockenmuster ermöglichen uns eine Feinabstimmung, wie sich Wellen durch das Material ausbreiten“, sagt Jiang, „und helfen uns so, unerwünschte Reflexionen zu reduzieren und die Signalklarheit zu erhöhen.“

Um ihre Ergebnisse zu bestätigen, arbeiteten die Forscher mit der Forschungsgruppe von Keji Lai an der University of Texas in Austin zusammen und nutzten die Transmissionsmodus-Mikrowellenimpedanzmikroskopie (TMIM), um Schallwellen in Echtzeit zu visualisieren. „Mit TMIM konnten wir sehen, wie sich diese Wellen mit Frequenzen in der Größenordnung von Gigahertz durch die Kristalle bewegen, was uns die erforderliche Präzision verschaffte, um zu bestätigen, dass Klein-Tunneling stattfand“, sagt Jiang.

Der Erfolg des Teams baut auf früheren Arbeiten mit Lais Labor auf, die die Kontrolle von Schallwellen bei niedrigeren Frequenzen erforschten. „Unsere frühere Arbeit mit Keji hat uns geholfen, die Wellenmanipulation zu verstehen“, sagt Johnson. „Die Herausforderung bestand darin, dieses Verständnis auf viel höhere Frequenzen auszudehnen.“

In jüngsten Experimenten demonstrierte das Team eine nahezu perfekte Übertragung von Schallwellen bei Frequenzen zwischen 0,98 GHz und 1,06 GHz. Indem sie den Winkel kontrollierten, in dem die Wellen in die phononischen Kristalle eindrangen, konnten sie die Wellen mit geringem Energieverlust durch die Barrieren leiten, was ihre Methode zu einer sehr effektiven Methode zum Filtern und Lenken von Schallsignalen machte.

Während die Teammitglieder voranschreiten, erforschen sie potenzielle Anwendungen ihrer Erkenntnisse in Bereichen wie der drahtlosen 6G-Kommunikation, wo die Forderung nach schnellerer Datenübertragung und weniger Interferenzen von entscheidender Bedeutung ist.

„Durch eine genauere Steuerung der Schallwellen könnten wir es mehr Benutzern ermöglichen, sich gleichzeitig in dicht besiedelten Frequenzbändern zu verbinden“, sagt Jiang.

Sie testen auch neue Materialien wie mit Scandium dotiertes Aluminiumnitrid, das den Klein-Tunnel verbessern und eine noch bessere Leistung bei höheren Frequenzen bieten könnte. „Wir gehen an die Grenzen, um zu sehen, wie weit wir diese Prinzipien erweitern können“, sagt Jiang, „und wie sie auf klassische Technologien und Quantentechnologien angewendet werden können.“

Letztendlich hoffen die Forscher, ultrapräzise, ​​winkelabhängige Filter für eine Vielzahl von Anwendungen zu entwickeln, darunter drahtlose Kommunikation, medizinische Bildgebung und Quantencomputer.

„Diese Forschung ist erst der Anfang“, sagt Johnson. „Wir legen den Grundstein für eine neue Generation akustischer Geräte, die unsere Denkweise über die Übertragung und Kontrolle von Schallwellen wirklich verändern könnten.“