伊利諾伊大學(xué)的科學(xué)家們，已經(jīng)創(chuàng)造出一種具有改變通信網(wǎng)絡(luò)潛力方糖大小的電磁材料塊。有幾個國家正在建立未來通信系統(tǒng)，使用更高頻率的電磁波，以更快的速率傳輸更多數(shù)據(jù)，但它們?nèi)狈μ幚磉@些更高帶寬的網(wǎng)絡(luò)部件。

研究人員J.Gary Eden證明：他的新設(shè)備可以快速切換功能，以執(zhí)行支持載波頻率超過100千兆赫網(wǎng)絡(luò)所需的各種任務(wù)，在其發(fā)表在《應(yīng)用物理評論》期刊中，描述了隱藏在這個糖方塊中的微型架構(gòu)。

這項技術(shù)特別有趣，因為它產(chǎn)生多個以不同頻率同時操作的頻道?；旧?，這能在同一網(wǎng)絡(luò)上進行多個對話，這是高速無線通信的核心。等離子體對于在功能和頻率之間的快速切換是至關(guān)重要，但以前基于等離子體的電磁晶體太大，不能在高頻下工作，關(guān)鍵在于創(chuàng)造一種結(jié)構(gòu)，使等離子體和金屬柱之間的間距與被操縱的輻射波長一樣小。電磁波的波長隨著頻率和帶寬增加而縮短，為了實現(xiàn)工作在100 GHz以上的高帶寬晶體，需要進行小規(guī)模的設(shè)計。

Eden的團隊開發(fā)了一種3D打印腳手架，作為所需網(wǎng)絡(luò)的底片，將聚合物倒入，一旦凝固，直徑0.3毫米的微毛細管被填充等離子體、金屬或介電氣體。使用這種復(fù)制成型技術(shù)，研究團隊花了近五年的時間，以完善木樁狀晶格中微毛細管的尺寸和間距。組裝材料要求極高，但最終，研究團隊能夠使用該材料觀察跨越100 GHz到300 GHz頻率范圍的共振，這是“一個巨大的光譜范圍，可以操作”。研究表明，這些晶體電磁特性的快速變化（比如在反射或透射信號之間切換）。

可以通過簡單地打開或關(guān)閉幾個等離子體柱來實現(xiàn)，這種能力顯示了這種動態(tài)和節(jié)能設(shè)備用于通信的效用。Eden熱衷于進一步優(yōu)化這種新器件的制造和開關(guān)效率，但也很高興能深入研究其他應(yīng)用。例如，晶體可以被調(diào)諧以響應(yīng)特定分子的共振，例如大氣污染物，并用作高靈敏度檢測器。對增加帶寬的不可阻擋需求，正在推動未來的無線通信系統(tǒng)進入100ghz-1??區(qū)域，從而推動對新的信號源和調(diào)制器的需求，以及諧振器、移相器和濾波器等補充器件的需求。

目前很少存在這樣的器件，并且在毫米波長可用的那些器件的電磁特性通常是固定的，并且以寬(即，低Q)共振為特征。本研究在120千兆赫至170千兆赫頻段的三維等離子體/金屬/介質(zhì)光子晶體(PPC)，它們是動態(tài)的（在電子速度下可調(diào)諧和可重新配置），具有衰減和傳輸諧振，帶寬低于50??，控制共振線形狀的晶體子晶格之間的干涉通過晶體結(jié)構(gòu)來操縱。將低溫等離子體微柱的布拉格陣列結(jié)合到本身就是靜態(tài)晶體的介電/金屬支架中，形成兩個相互交織的電磁耦合晶體。

等離子體支架晶格產(chǎn)生多個窄帶衰減共振，隨著等離子體電子密度的增加，這些共振單調(diào)地向更高頻率移動1.6千兆赫。通過等離子體柱連續(xù)布拉格平面的電子激活，來控制PPC的縱向幾何形狀，揭示了在138.4?GHz處意外的雙晶對稱相互作用和共振Q值大于5100時的相互作用。在等離子體柱/聚合物/金屬晶體中引入點或線缺陷增加了支架共振處的透明度(Borrmann效應(yīng))，并產(chǎn)生耦合諧振器的Fano線形特征，基于ppc的超材料適用于包括多通道通信、毫米波光譜和多個耦合諧振器的基礎(chǔ)研究等應(yīng)用。

博科園｜研究/來自：美國物理研究所提供

參考期刊《應(yīng)用物理評論》

DOI: 10.1063/1.5120037

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