پنج نکته در مورد هدایت صدا برای ارتباط بهتر

توسط Nathi Magubane، دانشگاه پنسیلوانیا

ویرایش شده توسط لیزا لاک، بررسی توسط اندرو زینین

این مقاله با توجه به روند و سیاست های ویرایشی Science X بررسی شده است. ویراستاران ضمن اطمینان از اعتبار محتوا، ویژگی های زیر را برجسته کرده اند:

هر بار که کسی تماسی را دریافت می کند، تلفن کمی ترجمه را انجام می دهد. سیگنال‌های رادیویی دریافتی به امواج صوتی ریز تبدیل می‌شوند که قبل از اینکه دوباره به داده تبدیل شوند، در تراشه‌ها موج می‌زنند.

فیزیکدان A.T می گوید: «این امواج مفید هستند اما سرکش هستند. چارلی جانسون از دانشکده هنر و علوم. او توضیح می‌دهد که نقص در مواد می‌تواند امواج را به عقب منعکس کند یا آنها را از مسیر خود خارج کند و هر انعکاس سرگردان سیگنال را مختل می‌کند.

اکنون، محققان به رهبری جانسون و همکارانش در دانشگاه تگزاس در آستین دستگاهی ساخته اند که این امواج را در مسیر خود نگه می دارد. یافته های آنها در Physical Review Applied منتشر شده است.

Penn Today با جانسون در مورد این کار صحبت کرد که می تواند راه را برای نسل بعدی دستگاه های ارتباطی و پردازش سیگنال هموار کند.

حدود دو دهه پیش، فیزیکدانان نظری پن، چارلز کین و یوجین مل نشان دادند که چگونه توپولوژی - ریاضیات خواصی که از کشش و خمش جان سالم به در می‌برند - بر نحوه حرکت الکترون‌ها در مواد خاص نظارت می‌کند. آن‌ها از این برای پیش‌بینی اثر اسپین کوانتومی هال استفاده کردند، پدیده‌ای که توضیح می‌دهد چگونه الکترون‌ها در امتداد لبه یک ماده حرکت می‌کنند.

جانسون می‌گوید: «چارلی و ژن در مورد امواج کوانتومی – الکترون‌ها در مواد فکر می‌کردند. اما همین ایده‌ها برای امواج نور و همچنین برای امواج صوتی صادق است، چیزی که ما با آن کار می‌کنیم.»

این تراشه از نیترید آلومینیوم ساخته شده است، ماده ای که قبلا در اجزای تلفن همراه استفاده می شود و با تراشه سازی استاندارد سازگار است. اما این تراشه دارای الگوی خاصی است که در آن نقش بسته است - شبکه‌ای از شکل‌های ستاره کوچک که یک طرف در یک طرف مرز و یک طرف دیگر در طرف دیگر چیده شده‌اند.

موج همیشه با یک الگو در سمت راست و دیگری در سمت چپ حرکت می کند. برای معکوس کردن، باید این ترتیب را تغییر داد، که یک اختلال چشمگیر به همراه دارد.

جانسون می‌گوید: «طراحی موج را مجبور می‌کند تا در امتداد رابط بین این دو حرکت کند. نه می تواند به یک طرف برود و نه می تواند به طرف دیگر برود.»

در آزمایشات، امواج گوشه های تیز 120 درجه یک مسیر زیگزاگی را بدون پراکندگی گرد کردند. در یک تقاطع چهار طرفه، آنها فقط در جهت هایی که طراحی مجاز بود، تقسیم می شوند.

جانسون می‌گوید بخش دشوار انجام این کار، آغشته کردن صدا به خاصیتی بود که به طور طبیعی آن را ندارد. الکترون ها دارای خاصیتی به نام اسپین هستند که چرخش آنها را در رابطه با جهت حرکتشان تعریف می کند و طرح های توپولوژیکی اغلب بر اسپین تکیه دارند.

جانسون می‌گوید مهندسی یک پایه برای اسپین سال‌ها و چندین طرح شکست خورده طول کشید. او نویسنده اول یو جیانگ را با پشتکار می‌داند، زیرا او از هر شکست درس می‌گرفت و الگو را تا زمانی که کار می‌کرد، اصلاح می‌کرد.

جیانگ می‌گوید: «چالش این بود که یک ایده نظری را به وسیله‌ای تبدیل کنیم که بتوانیم آن را بسازیم و اندازه‌گیری کنیم. با طراحی دقیق این الگو، می‌توانیم امواج صوتی گیگاهرتز را در اطراف گوشه‌های تیز هدایت کنیم و این رفتار را مستقیما در اندازه‌گیری‌های خود مشاهده کنیم.

این دستگاه تقریبا با فرکانس 1 گیگاهرتز کار می کند، فرکانسی که برخی از گروه های محاسباتی کوانتومی از قبل برای امواج صوتی که اطلاعات کوانتومی را حمل می کنند استفاده می کنند. اما انتقال داده‌های صوتی کوانتومی کنونی به دلیل نقص‌های مادی که می‌تواند باعث پراکندگی شود، دارای خطرات ذاتی است. یک کانال محافظت‌شده مانند این می‌تواند به رساندن سیگنال‌های شکننده دقیقا به جایی که باید بروند کمک کند - بازتاب‌های سرگردان را دور می‌کند و سیگنال را دست نخورده نگه می‌دارد که در اطراف تراشه می‌چرخد.

جانسون می‌گوید: «رویکرد ما به آن‌ها این امکان را می‌دهد تا مطمئن شوند که آن موج صوتی کوانتیزه را دقیقا در جایی که قرار است ارائه می‌دهند.

هدف بعدی این تیم افزایش فرکانس به محدوده 6 تا 10 گیگاهرتز است که سازندگان تلفن هدف آن هستند. مدیریت کارآمدتر سیگنال می‌تواند به تلفن‌ها اجازه دهد با سیگنال‌های ضعیف‌تر کار کنند و به طور بالقوه به برج‌های کمتری نیاز دارند.

یو جیانگ و همکاران، اثر هال اسپین کوانتومی گیگاهرتز در بلورهای صوتی نانوالکترومکانیکی، Physical Review Applied (2026). DOI: 10.1103/3gpm-mkyh

لیسانس تاریخ هنر، کارشناسی ارشد فرهنگ مادی. سردبیر سابق موزه، پیراپزشک و هماهنگ کننده پیوند. ویرایش برای Science X از سال 2021. نمایه کامل →

فوق لیسانس فیزیک با تجربه تحقیق. علاقه مندان به اخبار علمی طولانی مدت. نقش کلیدی در موفقیت سرمقاله Science X ایفا می کند. نمایه کامل →