"芯片上的天线"——人类跨越通讯新台阶的助推器

图片说明：消声室。图片来源：University of Cambridge

剑桥大学（University of Cambridge）研究团队揭示了电磁学的一个未解之谜，将天线植入电子芯片将成为现实。这种超小型天线，所谓的‘最前沿’半导体设计，将成为无线通信发展史的一个巨大飞跃。

这些新研究成果发表在了Physical Review Letters上。研究人员建议，电磁波不仅由加速电子生成，还可从对称性破缺现象中产生。除无线通信方面的应用外，这项发现还有助于识别经典电磁学和量子力学理论重合的情况。

电子加速产生的辐射现象（人们在一个多世纪前首次识别）在量子力学（人们认为电子是从高能态跳至低能态）中无对应部分。人们发现，由电场的破碎对称产生的辐射，或许能将这两种场联系起来。

无论是通信塔还是手机，天线的目的都是以电磁波或无线电波形式将能量发射至自由空间，并通过自由空间将能量注入设备。然而，现代电子产品最大的问题之一是天线体积仍然过大，与超小电路（会越来越小）不兼容。

领导该项研究的剑桥工程系（Cambridge's Department of Engineering）教授Gehan Amaratunga说：“天线是设备缩小化的一个制约因素，因为其体积小到一定的程度后，会带来很大的损失。天线的体积由设备传输频率相关的波长决定。因此，很难在天线体积和设备性能之间找到平衡。”

天线方面的另一个难题是，人们对于与能量辐射有关的某些物理变量的理解还不到位。比如，还没有一个准确的，与天线操作相关的数学模型。我们对电磁辐射的了解大部分源自James Clerk Maxwell于19世纪提出的理论。该理论指出电磁辐射是由加速电子产生。

图片说明：偶极辐射。图片来源：University of Cambridge

然而，当无线电是由固体介质发出时，这一理论就会出现问题。固体介质通常是绝缘体，这意味着电子不会自由运动。尽管如此，介质谐振器作为天线已在手机中有所应用。

第一作者Dhiraj Sinha博士说：“介电天线中，电容率高的介质会使无线电速率降低。未知的是，介电介质如何发射电磁波。关于这一谜团，科学家和工程师已困惑了60多年。”

在与来自英国国家物理实验室（National Physical Laboratory）和剑桥介电质天线公司（Antenova有限公司）的研究员协作过程中，剑桥研究团队应用了压电材料薄膜。压电材料薄膜是一种在供应电压时，变形或震动而成的绝缘体。他们发现，在某种频率下，这些材料不仅是高效的谐振器，也是高效的辐射器。也就是说，这些材料可以作为天线使用。

研究人员确定，这一现象是由与电子加速有关的，电场对称性破缺引起的。物理学中，对称是指特定系统中某一方面的恒定特征。当电子电荷处于非运动状态时，便产生对称电场。

对称性破缺还能应用在这些情况：比如，在一对平行电线中，电子能通过震荡电场加速。Sinha指出：“在天线中，电场对称‘显式’破缺，从而形成电场线从传送器向外辐射的模式。比如，在并行几何中一个双线系统‘破缺’。”研究人员发现，通过一个不对称励磁牵制压电薄膜，系统的对称性同样破缺，从而导致相应的电场对称性破缺并产生电磁辐射。

图片说明：微型天线。图片来源：University of Cambridge

正如Maxwell预测，介电材料发射的电磁辐射由与其相附属的金属电极电子加速，伴随显性电场对称性破缺引起。

Amaratunga说：“要想利用这些材料传送能量，需要破缺对称，并获得加速电子。这是电磁理论之谜丢失的一部分。我并不建议提出某个大统一理论，但是这些结论有助于了解电磁学和量子力学如何交叉结合，从而为人类开启一个全新的探索领域。”

这一发现在未来的应用十分重要，它不仅针对人们每天使用的手机，还有助于网络相关事物（家与办公室里随处可见的事物，从烤箱到节温器，都与网络相关）的发展和应用。这些应用需要数以亿计的设备。此外，在电子芯片上加装超小天线的能力将会大大提高。人们可通过铌酸锂、氮化镓和砷化镓等材料将压电材料制成薄膜状。镓砷化物放大器及过滤器已在市场流通，这项新发现为芯片上加装天线及其他零件的实现开辟了道路。

Sinha说：“归结起来这是件很简单的事。我们已经在实际应用上实现了突破，并了解到这些设备如何运作。”（科学之家，译审：XH Kong）

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