在这种被称为层间微应变工程的新方法中，研究人员利用钙原子在材料内部制造出了极性纳米团簇。
伦敦玛丽女王大学的科学家们找到了一种构建智能无线设备的新方法，通过对材料结构进行微小的原子级改变，为新一代高度可调谐且节能的通信设备铺平了道路。
现代通信本质上是完全电子化的，依赖于天线、发射器和接收器以无线方式高速传输信息。移动网络、雷达系统乃至卫星通信在过去几十年中取得了重大技术飞跃，但仍有很大的改进空间。
例如，设备通常配备固定频率或只能在较小的频率范围内工作。这可能导致它们在不同地区无法兼容使用，甚至当过多类似设备在同一地点工作时效率低下。为了克服这一问题，设备可以配备可调谐频率，但迄今为止，这仍然只是一个理论上的解决方案。
通过原子变化实现可调谐性
研究人员使用了一种名为钽酸锶的陶瓷材料。他们通过用尺寸小得多的钙原子替换材料中少量的原子，在材料中制造了微小的原子尺度畸变。
这是一种被称为层间微应变工程的新方法，可在材料内部产生被称为极性纳米团簇的小型电活动区域。这些极性纳米团簇在理想情况下是电不活跃的，但能快速响应电场，并在需要时为材料的性能增加可调谐性。
“这有点像找到了一种方法，为一个以前只有开和关两种设置的系统添加调光开关，”伦敦玛丽女王大学天线与电磁学教授杨浩在新闻稿中解释道。“微小的结构变化让我们获得了更大程度的控制能力。”
下一代通信设备
过去，当科学家们尝试构建可调谐材料时，用这些材料制造的设备要么浪费太多能量，要么在高频下表现不佳。而在本研究中，该团队实现了强可调谐性、稳定性能和低能量损耗的独特组合。
这一结果也让研究团队感到惊讶，因为这一切仅仅通过在陶瓷材料中引入极少量的钙就实现了。仅百分之八的钙含量，该材料就表现出高可调谐性，解决了困扰通信行业数十年的难题。
研究团队进一步通过构建原型天线和微波设备展示了该材料的多功能性，这些设备的频率可以通过调节电压或温度来改变。
“无线技术正变得越来越复杂，这就产生了对能够快速高效适应的材料的需求。我们的研究表明，原子层面的微小变化可以对性能产生令人惊讶的巨大影响，”参与该研究的伦敦玛丽女王大学博士后研究员张航峰补充道。
“我们希望这种方法将有助于支持更智能的天线、可调谐通信设备以及其他需要实时响应变化需求的技术的发展。”
该研究成果发表在《科学进展》期刊上。
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