【材料科技】光學留聲機

■科學家第一次用非磁性的物質記錄下聲音的資訊。

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圖片出處:Chen, Hao, et al. "Plasmon-Assisted Audio Recording." Scientific reports 5 (2015).

撰文|方程毅

人類自古以來就不斷記錄著各種資訊,從早時候口耳相傳到文字的發明,近代又出現影像及聲音的紀錄,科技的進步讓我們能留給後人的素材越來越多,而儲存資訊的方法也隨著科技的進展日新月異。來自美國伊利諾大學香檳分校(University of Illinois Urbana–Champaign)的Kimani C. Toussaint, Jr.教授便發展出一種新的技術儲存聲音。

Kimani C. Toussaint, Jr.教授使用一種具有特殊現象的金屬結構,這個特殊現象被稱之為電漿子(plasmonics)。電漿子出現在奈米結構的金屬上,在一般我們的認知中,金屬的反射是很高的,就像金或銀這類金屬,如果有一大片金屬,它們的表面都是又亮又光滑,因此一道光打到金屬表面,超過85%的光都會被反射回去。但在金屬奈米結構中,金屬裡的自由電子會有一個特定的共振頻律,假設有一道光打進來,又剛好這道光的頻率(波長)跟自由電子的共振頻率相同,這道光就會被吸收,而導致反射率下降。

這樣解釋很難懂齁!

簡單來說就是金屬奈米結構會對特定頻率(波長)的光有異常高的吸收,這個異常高的吸收使反射回去的光大幅減少。我們稱這個異常頻率為共振頻率。

影響共振頻率的因素非常多,包括金屬種類、所在環境(在空氣中或泡在水裡)、金屬奈米結構的大小或形狀等等。既然共振頻率會因為金屬奈米結構的形狀而改變,我們就可以利用這個性質紀錄訊號。假設有一道訊號(或是聲音)經過處理後可以改變金屬奈米結構的形狀,就可以藉由偵測金屬電漿子共振頻率的改變來讀取這個訊號。這項研究厲害的地方就在於因為訊號可以轉成一道雷射光,雷射光強度的變化就代表聲音的變化(至於聲音如何轉成雷射光我們這裡不談),雷射光的強度同時也可以改變金屬奈米結構的形狀(強度越強,形狀改變越劇烈,共振頻率就改變越多),進而將聲音紀錄下來。所以整個流程是這樣的:

聲音訊號轉成雷射光→雷射光讓金屬奈米結構產生形狀變化→形狀變化所以共振頻率改變→讀取共振頻率的改變以讀取訊號。

Toussaint教授採用一種像蝴蝶結形狀的奈米結構,稱之為奈米天線(bowtie nanoantennas),這種結構可以增強局部電場使訊號能夠更清晰的被解析。一般來說電漿子的應用常常使用這種蝴蝶結形狀的奈米結構,但再說下去我想讀者們就要昏頭啦,所以就在這裡就點到為止。

這項研究的價值在於第一次有人用電漿子這個特性儲存聲音,因此也被發表在知名期刊《Scientific Reports》上。Toussaint教授利用這個新技術撥放《小星星》以及記錄人的聲音(紀錄Hello這個單字:錄音者原聲自奈米結構中讀取的聲音)。論文中也證明了這個技術可以儲存C4, D, E, F, G, A, B 及 C5等等音階,且解析度非常高。

Toussaint教授表示:「資料儲存一直是一很有趣的領域,這項研究也可以應用於一些舊科技像類比訊號的檔案管理。我們的研究在未來也有可能在晶片上進行資料處理。」參與這項研究計畫的博士後研究員Hao Chen表示:「雖然利用電漿子進行光譜偵測的方法儲存聲音主要都是使用類比訊號,但金屬奈米結構也可以儲存或產生像0或1的數位訊號。至於儲存容量的問題,藉由改變奈米結構的大小,就有機會將容量再向上提升。」

原始論文、圖片及連結出處:Chen, Hao, et al. "Plasmon-Assisted Audio Recording." Scientific reports 5 (2015).
參考資料:http://engineering.illinois.edu/news/article/10782
連結:小星星:http://www.nature.com/srep/2015/150316/srep09125/extref/srep0912-s1.wav
Hello原音:http://www.nature.com/srep/2015/150316/srep09125/extref/srep0912-s2.wav
自奈米結構中讀取的Hello: http://www.nature.com/srep/2015/150316/srep09125/extref/srep0912-s3.wav

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作者:方程毅 科教中心特約寫手,從事科普文章寫作。

 

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