Het beheersen van geluidsgolven met Klein-tunneling verbetert de filtratie van akoestische signalen

In de context van zintuiglijke modaliteiten werken ogen als kleine antennes, die licht opvangen, elektromagnetische golven die zich met zinderende snelheden voortbewegen. Wanneer mensen naar de wereld kijken, vangen hun ogen deze golven op en zetten ze deze om in signalen die de hersenen lezen als kleuren, vormen en beweging. Het is een naadloos proces, waardoor mensen details duidelijk kunnen zien, zelfs als er veel om hen heen gebeurt.

Oren daarentegen fungeren meer als microfoons en vangen geluid op via trillingen in de lucht. Wanneer iemand spreekt, raken geluidsgolven de trommelvliezen, trillen en sturen signalen naar de hersenen. Maar in tegenstelling tot de helderheid die de ogen bieden, kunnen oren moeite hebben in rumoerige omgevingen, waar veel verschillende soorten geluiden elkaar kunnen overlappen.

Yue Jiang, een Ph.D. student aan de Charlie Johnson Group aan de Universiteit van Pennsylvania, vergelijkt deze uitdaging met waar wetenschappers mee te maken krijgen als ze geluid proberen te filteren in moderne technologie. “We hebben manieren nodig om belangrijke signalen van de ruis te isoleren, vooral nu draadloze communicatie zo essentieel wordt”, zegt Jiang. “Omdat talloze signalen uit vele richtingen komen, is het gemakkelijk dat interferentie de transmissie verstoort.”

Daartoe hebben Jiang en haar team van de Johnson Group een manier ontwikkeld om geluidsgolven onder controle te houden met behulp van een proces genaamd Klein-tunneling, toegepast in een hoogfrequent bereik.

“Het opwindende hieraan is dat we Klein-tunneling (de beweging van deeltjes zoals elektronen door een energiebarrière) naar het gigahertz-bereik hebben geduwd”, zegt Charlie Johnson. “Dit zijn de frequenties waarop uw mobiele telefoon werkt, dus onze bevindingen kunnen leiden tot snellere, betrouwbaardere communicatiesystemen.”

Het werk van het team, gepubliceerd in het journaal Apparaatmarkeert de eerste keer dat Klein-tunneling is gedemonstreerd met geluidsgolven op zulke hoge frequenties, wat de weg vrijmaakt voor efficiëntere, snellere en geluidsbestendige communicatiesystemen, en het heeft gevolgen voor kwantuminformatiesystemen, waar nauwkeurige controle van geluid van cruciaal belang is. Door nauwkeuriger af te stemmen hoe geluidsgolven zich voortplanten, zou het onderzoek kunnen leiden tot betrouwbaardere draadloze communicatie en geavanceerde technologieën.

De kern van hun onderzoek zijn fononische kristallen, technische materialen die zijn ontworpen om geluidsgolven te manipuleren op een manier die vergelijkbaar is met hoe fotonische kristallen licht controleren. Het team etste ‘sneeuwvlokachtige’ patronen op ultradunne membranen gemaakt van aluminiumnitride, een piëzo-elektrisch materiaal dat elektrische signalen omzet in mechanische golven en vice versa. Deze patronen spelen een cruciale rol bij het geleiden van geluidsgolven door Dirac-punten, waardoor Ze kunnen energiebarrières passeren met minimaal energieverlies.

De membranen, slechts 800 nanometer dik, zijn ontworpen en vervaardigd in Penn’s Singh Center for Nanotechnology.

“Dankzij de sneeuwvlokpatronen kunnen we nauwkeurig afstemmen hoe golven door het materiaal reizen”, zegt Jiang, “wat ons helpt ongewenste reflecties te verminderen en de signaalhelderheid te vergroten.”

Om hun resultaten te bevestigen, werkten de onderzoekers samen met Keji Lai’s Research Group aan de Universiteit van Texas in Austin met behulp van transmissiemodus microgolfimpedantiemicroscopie (TMIM) om geluidsgolven in realtime te visualiseren. “TMIM stelde ons in staat deze golven met gigahertz-frequenties door de kristallen te zien bewegen, waardoor we de precisie kregen die nodig was om te bevestigen dat Klein-tunneling plaatsvond”, zegt Jiang.

Het succes van het team bouwt voort op eerder werk met Lai’s laboratorium, dat onderzoek deed naar het beheersen van geluidsgolven op lagere frequenties. “Ons eerdere werk met Keji heeft ons geholpen golfmanipulatie te begrijpen”, zegt Johnson. “De uitdaging was om dat begrip uit te breiden naar veel hogere frequenties.”

In recente experimenten heeft het team een ​​vrijwel perfecte transmissie van geluidsgolven aangetoond op frequenties tussen 0,98 GHz en 1,06 GHz. Door de hoek te controleren waaronder de golven de fononische kristallen binnendrongen, konden ze de golven met weinig energieverlies door barrières leiden, waardoor hun methode een zeer effectieve manier werd om geluidssignalen te filteren en te sturen.

Naarmate de teamleden verder komen, onderzoeken ze de mogelijke toepassingen van hun bevindingen op gebieden als draadloze 6G-communicatie, waar de vraag naar snellere gegevensoverdracht en minder interferentie van cruciaal belang is.

“Door geluidsgolven nauwkeuriger te controleren, kunnen we meer gebruikers tegelijkertijd verbinding laten maken in dichtbevolkte frequentiebanden”, zegt Jiang.

Ze testen ook nieuwe materialen, zoals scandium-gedoteerd aluminiumnitride, die het effect van Klein-tunneling zouden kunnen versterken en nog betere prestaties zouden kunnen bieden bij hogere frequenties. “We verleggen de grenzen om te zien hoe ver we deze principes kunnen uitbreiden”, zegt Jiang, “en hoe ze kunnen worden toegepast op zowel klassieke als kwantumtechnologieën.”

Uiteindelijk hopen de onderzoekers ultraprecieze, hoekafhankelijke filters te ontwikkelen voor een verscheidenheid aan toepassingen, waaronder draadloze communicatie, medische beeldvorming en kwantumcomputers.

“Dit onderzoek is nog maar het begin”, zegt Johnson. “We bereiden de weg voor een nieuwe generatie akoestische apparaten die de manier waarop we denken over de transmissie en controle van geluidsgolven echt kunnen veranderen.”