工程师们已掌握在微芯片上制造微型“地震”的方法——这或将改变智能手机的制造方式。

工程师们研发出了一种新方法，能够制造出类似微型地震的极微小震动。

该研究的核心在于一种名为表面声波声子激光器的装置。未来，这项技术有望助力开发出更先进的手机芯片及其他无线电子设备芯片，推动这些设备向更小型化、更高速化及更节能的方向发展。

该研究由科罗拉多大学博尔德分校新入职的教师马特·艾肯菲尔德（Matt Eichenfield）牵头，亚利桑那大学和桑迪亚国家实验室的研究人员也参与了此次研究。1月14日，他们的研究成果发表于《自然》期刊。

该装置依赖一种名为表面声波（SAWs）的物理效应。这些波的特性与声波相似，但它们并非在材料内部传播，而是仅沿着材料表面行进。

地震发生时，巨大的地表波会席卷整个地球表面，使建筑物发生晃动并造成破坏。

然而，在更小的尺度上，声表面波（SAWs）已然融入了日常科技之中。

“声表面波（SAWs）器件对于世界上许多至关重要的技术而言至关重要，”新研究的资深作者、科罗拉多大学博尔德分校古斯塔夫森量子工程讲席教授艾肯菲尔德说道，“所有现代手机、钥匙扣、车库门遥控器、大多数全球定位系统（GPS）接收器、许多雷达系统等都采用了这种器件。”

在智能手机内部，声表面波（SAW）器件充当着精密滤波器的角色。手机中的无线电接收器接收来自基站的信号，并将其转化为微小的机械振动。这些振动使芯片能够滤除不需要的信号和噪声，随后，经过净化的信号会再次被转化为无线电波，以实现通信。

声子激光器取代复杂硬件

在当前的研究中，艾肯菲尔德（Eichenfield）及其团队利用“声子激光器”开发出了一种制造声表面波（SAWs）的新方法。它的工作原理与普通激光笔类似，只不过它产生的是振动。

亚利桑那大学研究生、该新研究的主要作者亚历山大·温特表示：“不妨将其想象成地震波，只不过是在一个小芯片的表面。”

如今，大多数声表面波（SAW）器件需要两个不同的芯片和电源来产生这些波。相比之下，该团队的设备仅使用单个芯片即可工作，并且仅需搭配电池，便有可能产生频率高得多的声表面波。

为应对振动而重建激光器

要理解该团队新型声表面波（SAW）装置的工作原理，不妨先从传统激光器说起。

如今，大多数激光器被称为“二极管激光器”，其工作原理是让一束光在半导体芯片表面的两个微观镜面之间来回反射。当这束光来回反射时，会撞击到半导体材料中的原子，这些原子内部有一个由电池或其他电源供电产生的电场。在此过程中，这些原子会释放出更多的光，从而使光束变得更加强大。

艾肯菲尔德表示：“二极管激光器是大多数光学技术的基石，因为它们仅需电池或简单电压源即可运行，而无需像许多先前的激光器那样需要更多的光来产生激光。我们希望制造出一种类似的激光器，但它是用于声表面波的。”

为此，研究团队开发出一种条状装置，其整体长度约为半毫米。

该装置由多层材料堆叠而成：成品形态下，其基底采用与多数计算机芯片相同的硅晶圆，其上覆盖着一层名为铌酸锂的薄膜材料。铌酸锂具有独特的"压电效应"——当这种材料发生振动时，会同步产生交变电场；反之，若施加交变电场，材料亦会产生机械振动。

最后，该设备包含一层更薄的铟镓砷化物——这是一种特殊材料，当受到微弱电场作用时，能够使电子加速至难以置信的高速。

总体而言，该团队的叠层结构使得铌酸锂表面的振动能够直接与铟镓砷中的电子发生相互作用。

芯片上的波放大

该装置的工作原理有点像冲浪池。

当研究人员向铟镓砷装置中通入电流时，锂铌酸盐薄层中便会泛起层层波涛。这些波涛向前涌动，撞击反射器后折返，恰似激光器中光线在两面镜子间来回跳跃。每一次向前涌动，波涛便愈发汹涌；而每一次折返，则稍显衰弱。

温特表示：“它向后移动时，动力几乎会损失 99%，因此我们设计时让它向前移动时能获得可观的动力增益，以克服这一问题。”

经过数次反射后，波幅变得极为显著。该装置会让部分波从一侧微泄而出，其原理与激光在镜面间累积并逸出的过程如出一辙。

该团队能够产生以约1吉赫兹（即每秒数十亿次）速率波动的表面声波。但研究人员也认为，他们可以轻松地将频率提升至数十吉赫兹甚至数百吉赫兹。

其频率远高于传统声表面波（SAW）器件，后者通常最高只能达到约4吉赫兹。

迈向单芯片无线电

艾肯菲尔德表示，这项新装置或将推动手机等无线设备朝着更小型化、更高性能、更低功耗的方向发展。

以智能手机为例，每当你发送短信、拨打电话或访问互联网时，众多不同的芯片会多次将无线电波转换为声表面波（SAWs），随后再将其转换回来。

他的团队希望简化这一流程，设计出仅利用声表面波（SAWs）就能完成所有处理工作的单芯片。

艾肯菲尔德说道：“这款声子激光器是我们需要攻克的最后一道难关。如今，借助相同的技术，我们确实可以在单片芯片上制造出无线电所需的所有组件。”

参考文献：亚历山大·温特（Alexander Wendt）、马修·J·斯托里（Matthew J. Storey）、迈克尔·米勒（Michael Miller）、道尔顿·安德森（Dalton Anderson）、埃里克·查特吉（Eric Chatterjee）、威廉·霍罗克斯（William Horrocks）、布兰登·史密斯（Brandon Smith）、彭秀·王（Ping-Show Wong）、肖恩·阿特伯恩（Shawn Arterburn）、托马斯·A·弗里德曼（Thomas A. Friedmann）、丽莎·哈克特（Lisa Hackett）和马特·艾肯菲尔德（Matt Eichenfield）所著《电注入固态表面声波声子激光器》，发表于2026年1月14日《自然》期刊。DOI：10.1038/s41586-025-09950-8

该研究工作得到了桑迪亚国家实验室实验室指导研究与开发计划的支持。