华人团队设计出可控制“毫米波”的晶体，为巨大通信带宽提高潜力

“如何将高速数据传输速率进一步提高”，或许是通信领域中所有人都在思考的技术问题。对于这个紧迫问题，业内的研究人员对实现路径存在着各自的看法和不同的意见。

不过，使用更高频率的电磁波以更快的速率来传输，已经是目前无可避免的趋势。从 1G、2G、3G，到如今被广泛应用的 4G 网络发展过程可以看出，人们使用的电波频率越来越高。而随着 5G 成为了今年的年度热词，已经有部分地区正在建设高频电磁波的 “未来化” 通信系统。

随着不断增长的带宽需求，未来的无线通信系统无可避免地被推向了 100 GHz 至 1 THz 的区域，这已经到达 “极高频” 的区间，美国在今年年初决定开放 “太赫兹波” 频率段（95 GHz ~ 3 THz），提供给 6G 的相关实验使用，在 5G 方兴未艾之时率先布局。

这刺激了研究人员对新信号源、调制器、谐振器、移相器，以及滤波器等互补设备的需求。但目前很少有满足该频段需求的装置；同时，毫米波的电磁特性通常是固定的，并且具有 “宽” 的共振特征。而最近来自美国伊利诺伊大学香槟分校的研究人员将等离子、金属和介电材料组合成了一种多功能的人造晶体，或可为更高带宽的无线通信铺平道路。

这项研究横跨伊利诺伊大学香槟分校的电子计算机与工程、光学物理与工程，以及材料科学与工程系等专业，文章发表在近期的 Applied Physics Reviews 杂志上。三名并列第一作者都是该校的华人学者——孙鹏、张润宇和陈闻远。DeepTech 与第一作者之一、该校电子计算机与工程系博士后研究员孙鹏就该研究进行了交流。

图 | 动态等离子体 / 金属 / 介电晶体能够过滤 100~300 GHz 范围内的电磁信号，并在任何给定的时间传送所需的频率；白光照射在晶体上象征着被晶体过滤的宽带毫米波信号，其只允许窄带辐射（以红色、绿色或蓝色的光束形式）穿过晶体（来源：孙鹏 / 伊利诺伊大学香槟分校）

孙鹏向 DeepTech 解释道：“这项技术的格外特殊之处，在于它能在多频率下同时产生多个通讯频道。换句话说，它能允许多个通话同一时间在同一网络下存在。而这一点也是未来高速通讯发展的核心。”

此前，过于高频的波段一度被认为是没有使用价值的，因为实在缺乏能够发送或者接收毫米波的电子元件或设备。但这项研究或许将为通信设备提供巨大的带宽潜力，而研究的关键就是 “动态等离子体” 与金属和介电材料的设计。

等离子体（plasma）对于功能和频率之间的快速切换至关重要，但是过往基于等离子体的电磁晶体都太大了，无法在高频下工作。所以，孙鹏和他的同事们发现，突破的关键在于去创建一种可以让等离子和金属柱之间的间距小到操纵辐射波长的结构。

“等离子体是除了固态、气态和液态之外，物质的第四种状态。我们这项研究的创新点在于，通过等离子体来设计并实现三维动态 （空间和时间）可调控的活性功能化材料。这个成果是多领域交叉研究的精妙呈现。”孙鹏说道。

图 | 具有木桩结构的三维等离子体光子晶体（PPCs）结构图像（来源：孙鹏）

从体积角度来看，电磁波的波长随着频率和带宽的增加而缩短。他们为了实现工作在 100 GHz 以上频率的高带宽晶体，就需要进行小规模设计。

孙鹏和他的同事们用 3D 打印制造出一种支架，这是所需网络的基础底片。随后，他们将聚合物倒入，一旦凝固，再向直径为 0.3 毫米的微毛细管中充满等离子体、金属和介电气体。针对这个复制模塑（replica-molding ）技术，他们花了近五年的时间来完善木桩状晶格中微毛细管的尺寸和间距。

孙鹏说：“组装材料非常困难。但最终还是能够使用设计的材料来观测 100 GHz 到 300 GHz 频率范围内的共振，这是一个针对很大的共振范围的操作。”

此外，他还表示为满足 100-300 GHz 的有效工作区间，这就意味着对等离子的电子密度有很高的要求。除了 3D 打印之外，还涉及软光刻技术（Soft-Lithography） 等多步精细加工过程。所以，目前大规模应用暂时还没有考虑。

但孙鹏和同事们的这项研究表明，设计出晶体的电子特性的快速变化（例如在反射或传输信号之间的切换）可以通过简单地打开或关闭几个等离子体柱来实现。这样的能力证实了这种动态且节能的设备如果用在通信领域时能起到的效用。

对于未来的研究，这篇文章通讯作者、也是负责人之一的 J. Gary Eden 教授表示，希望能进一步优化这种新器件的制造和开关效率。同时，也会尝试深入研究其他的应用之处，比如可以调节晶体以响应特定分子（用在针对大气污染物的共振），还可以用作高灵敏度的检测器等。

图 | 从左至右分别为：孙鹏、张润宇、陈闻远（来源：本人提供）

孙鹏目前是伊利诺伊大学香槟分校的博士后研究员， 就职于电子计算机与工程系。他在今年获得了伊利诺伊大学香槟分校土木与环境工程专业的博士学位，师从美国工程院院士 J. Gary Eden 教授和 Helen Nguyen 教授。同时，他拥有伊利诺伊大学香槟分校电子计算机与工程专业和北京大学生物医学专业的双硕士学位。

张润宇在 2018 年获得了伊利诺伊大学香槟分校材料科学与工程专业的博士学位，他的导师是上述实验的另一名通讯作者和负责人 Paul V. Braun 教授。他的本科也是在伊利诺伊大学香槟分校度过的，于 2012 年取得了该校机械工程专业的学士学位。

陈闻远同样是本科时期就在伊利诺伊大学香槟分校就读，他在 2018 年取得了机械工程专业的学士学位，随后便继续在该校攻读电子工程专业的硕士学位。他从 2016 年的本科期间就跟随 J. Gary Eden 教授进行实验，硕士阶段则继续在 Eden 的课题组中从事等离子体和超材料相关研究。

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参考：

https://doi.org/10.1063/1.5120037

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