利用克莱因隧道控制声波可以改善声信号滤波

在感官模式的背景下，眼睛像微小的触角一样工作，接收以极快速度传播的光和电磁波。当人类观察世界时，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，耳朵更像麦克风，通过空气中的振动捕捉声音。当有人说话时，声波会撞击耳膜，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很困难，因为许多不同类型的声音可能会重叠

宾夕法尼亚大学查理·约翰逊集团的博士生Yue Jiang将这一挑战与科学家在现代技术中过滤声音时面临的挑战进行了比较。姜说：“我们需要将重要信号与噪声隔离开来的方法，尤其是在无线通信变得如此重要的情况下。”。“由于来自多个方向的无数信号，干扰很容易干扰传输。”

为此，姜和她在约翰逊集团的团队开发了一种使用克莱因隧道技术控制声波的方法，该技术应用于高频范围

查理·约翰逊说：“令人兴奋的是，我们已经将克莱因隧穿——电子等粒子通过能量势垒的运动——推到了千兆赫的范围。”。“这些是你的手机工作的频率，所以我们的发现可能会导致更快、更可靠的通信系统。”

该团队的工作发表在《设备》杂志上，标志着克莱因隧道首次在如此高的频率下用声波进行演示，为更高效、更快、抗噪的通信系统铺平了道路，它对量子信息系统具有重要意义，在量子信息系统中，声音的精确控制至关重要。通过微调声波的传播方式，这项研究可以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，这是一种工程材料，旨在以类似于光子晶体控制光的方式操纵声波。该团队在由氮化铝制成的超薄膜上蚀刻出“雪花状”图案，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发挥着至关重要的作用，这使声波能够以最小的能量损失穿过能量屏障

这些膜只有800纳米厚，是在宾夕法尼亚大学辛格纳米技术中心设计和制造的

姜说：“雪花图案让我们可以微调波在材料中的传播方式，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，使用传输模式微波阻抗显微镜（TMIM）实时可视化声波。姜说：“TMIM使我们能够看到这些波以千兆赫的频率穿过晶体，为我们提供了确认克莱因隧穿发生所需的精度。”

该团队的成功建立在赖实验室之前的工作基础上，该实验室探索了控制低频声波。约翰逊说：“我们早期与科杰的合作帮助我们理解了波浪操纵。”。“挑战在于将这种理解扩展到更高的频率。”

在最近的实验中，该团队证明了0.98 GHz至1.06 GHz频率范围内声波的近乎完美的传输。通过控制波进入声子晶体的角度，他们可以引导波通过屏障，而能量损失很小，使他们的方法成为过滤和引导声音信号的高效方法

随着团队成员的前进，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

姜说：“通过更精确地控制声波，我们可以让更多的用户在人口稠密的频段同时连接。”

他们还在测试新材料，如掺钪氮化铝，这可以增强克莱因隧穿效应，并在更高频率下提供更好的性能。姜说：“我们正在突破极限，看看我们能在多大程度上扩展这些原理，以及它们如何应用于经典和量子技术。”

最终，研究人员希望为各种应用开发超精确、角度相关的滤波器，包括无线通信、医学成像和量子计算

“这项研究只是一个开始，”约翰逊说。“我们正在为新一代声学设备搭建舞台，这可能会真正改变我们对声波传输和控制的看法。”