“如何將高速數據傳輸速率進一步提高”，或許是通信領域中所有人都在思考的技術問題。對於這個緊迫問題，業內的研究人員對實現路徑存在著各自的看法和不同的意見。
不過，使用更高頻率的電磁波以更快的速率來傳輸，已經是目前無可避免的趨勢。從 1G、2G、3G，到如今被廣泛應用的 4G 網絡發展過程可以看出，人們使用的電波頻率越來越高。而隨著 5G 成為了今年的年度熱詞，已經有部分地區正在建設高頻電磁波的 “未來化” 通信系統。
隨著不斷增長的帶寬需求，未來的無線通信系統無可避免地被推向了 100 GHz 至 1 THz 的區域，這已經到達 “極高頻” 的區間，美國在今年年初決定開放 “太赫茲波” 頻率段（95 GHz ~ 3 THz），提供給 6G 的相關實驗使用，在 5G 方興未艾之時率先佈局。
這刺激了研究人員對新信號源、調製器、諧振器、移相器，以及濾波器等互補設備的需求。但目前很少有滿足該頻段需求的裝置；同時，毫米波的電磁特性通常是固定的，並且具有 “寬” 的共振特徵。而最近來自美國伊利諾伊大學香檳分校的研究人員將等離子、金屬和介電材料組合成了一種多功能的人造晶體，或可為更高帶寬的無線通信鋪平道路。
這項研究橫跨伊利諾伊大學香檳分校的電子計算機與工程、光學物理與工程，以及材料科學與工程系等專業，文章發表在近期的 Applied Physics Reviews 雜誌上。三名並列第一作者都是該校的華人學者——孫鵬、張潤宇和陳聞遠。DeepTech 與第一作者之一、該校電子計算機與工程系博士後研究員孫鵬就該研究進行了交流。
圖 | 動態等離子體 / 金屬 / 介電晶體能夠過濾 100~300 GHz 範圍內的電磁信號，並在任何給定的時間傳送所需的頻率；白光照射在晶體上象徵著被晶體過濾的寬帶毫米波信號，其只允許窄帶輻射（以紅色、綠色或藍色的光束形式）穿過晶體（來源：孫鵬 / 伊利諾伊大學香檳分校）
孫鵬向 DeepTech 解釋道：“這項技術的格外特殊之處，在於它能在多頻率下同時產生多個通訊頻道。換句話說，它能允許多個通話同一時間在同一網絡下存在。而這一點也是未來高速通訊發展的核心。 ”
此前，過於高頻的波段一度被認為是沒有使用價值的，因為實在缺乏能夠發送或者接收毫米波的電子元件或設備。但這項研究或許將為通信設備提供巨大的帶寬潛力，而研究的關鍵就是 “動態等離子體” 與金屬和介電材料的設計。
等離子體（plasma）對於功能和頻率之間的快速切換至關重要，但是過往基於等離子體的電磁晶體都太大了，無法在高頻下工作。所以，孫鵬和他的同事們發現，突破的關鍵在於去創建一種可以讓等離子和金屬柱之間的間距小到操縱輻射波長的結構。
“等離子體是除了固態、氣態和液態之外，物質的第四種狀態。我們這項研究的創新點在於，通過等離子體來設計並實現三維動態 （空間和時間）可調控的活性功能化材料。這個成果是多領域交叉研究的精妙呈現。”孫鵬說道。
圖 | 具有木樁結構的三維等離子體光子晶體（PPCs）結構圖像（來源：孫鵬）
從體積角度來看，電磁波的波長隨著頻率和帶寬的增加而縮短。他們為了實現工作在 100 GHz 以上頻率的高帶寬晶體，就需要進行小規模設計。
孫鵬和他的同事們用 3D 打印製造出一種支架，這是所需網絡的基礎底片。隨後，他們將聚合物倒入，一旦凝固，再向直徑為 0.3 毫米的微毛細管中充滿等離子體、金屬和介電氣體。針對這個複製模塑（replica-molding ）技術，他們花了近五年的時間來完善木樁狀晶格中微毛細管的尺寸和間距。
孫鵬說：“組裝材料非常困難。但最終還是能夠使用設計的材料來觀測 100 GHz 到 300 GHz 頻率範圍內的共振，這是一個針對很大的共振範圍的操作。”
此外，他還表示為滿足 100-300 GHz 的有效工作區間，這就意味著對等離子的電子密度有很高的要求。除了 3D 打印之外，還涉及軟光刻技術（Soft-Lithography） 等多步精細加工過程。所以，目前大規模應用暫時還沒有考慮。
但孫鵬和同事們的這項研究表明，設計出晶體的電子特性的快速變化（例如在反射或傳輸信號之間的切換）可以通過簡單地打開或關閉幾個等離子體柱來實現。這樣的能力證實了這種動態且節能的設備如果用在通信領域時能起到的效用。
對於未來的研究，這篇文章通訊作者、也是負責人之一的 J. Gary Eden 教授表示，希望能進一步優化這種新器件的製造和開關效率。同時，也會嘗試深入研究其他的應用之處，比如可以調節晶體以響應特定分子（用在針對大氣汙染物的共振），還可以用作高靈敏度的檢測器等。
圖 | 從左至右分別為：孫鵬、張潤宇、陳聞遠（來源：本人提供）
孫鵬目前是伊利諾伊大學香檳分校的博士後研究員， 就職於電子計算機與工程系。他在今年獲得了伊利諾伊大學香檳分校土木與環境工程專業的博士學位，師從美國工程院院士 J. Gary Eden 教授和 Helen Nguyen 教授。同時，他擁有伊利諾伊大學香檳分校電子計算機與工程專業和北京大學生物醫學專業的雙碩士學位。
張潤宇在 2018 年獲得了伊利諾伊大學香檳分校材料科學與工程專業的博士學位，他的導師是上述實驗的另一名通訊作者和負責人 Paul V. Braun 教授。他的本科也是在伊利諾伊大學香檳分校度過的，於 2012 年取得了該校機械工程專業的學士學位。
陳聞遠同樣是本科時期就在伊利諾伊大學香檳分校就讀，他在 2018 年取得了機械工程專業的學士學位，隨後便繼續在該校攻讀電子工程專業的碩士學位。他從 2016 年的本科期間就跟隨 J. Gary Eden 教授進行實驗，碩士階段則繼續在 Eden 的課題組中從事等離子體和超材料相關研究。
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