Мембрана преобразует радиоволны в свет

28 апреля 2014 г., 16:16

Устройство, которое обнаруживает сверхслабые радиоволны путем преобразования их в световые сигналы, было создано физиками из Дании и США. Оно не требует дорогостоящего криогенного охлаждения и может быть внедрено в практику в широком диапазоне областей применения, от радиоастрономии до магнитно-резонансной томографии (МРТ). Исследователи также считают, что технология может помочь в разработке строительных блоков «квантового Интернета» будущего.

Обнаружение чрезвычайно слабых радиоволн лежит в основе многих современных технологий, в том числе спутниковой навигации, дальней связи, радиотелескопов и систем МРТ. В некоторых детекторах слабые радиосигналы преобразуются в оптические сигналы, которые затем могут переноситься на большие расстояния по оптоволокну. В дополнение к дорогим модуляторам для преобразования электронных сигналов в оптические, эти устройства должны быть охлаждены до криогенных температур, что делает их дорогими и неудобными в использовании.

Новое устройство было создано Юджином Ползиком (Eugene Polzik) и его коллегами из Университета Копенгагена вместе с исследователями из Технического университета Дании и Объединенного квантовоого института при Университете штата Мэриленд. Команда говорит, что ее устройство может обнаруживать чрезвычайно слабые радиоволны путем преобразования их непосредственно в световые сигналы. Эти сигналы затем могут быть переданы и проанализированы с помощью стандартных оптических инструментов. Устройство использует намного меньше энергии, чем обычные модуляторы.

Детектор работает при комнатной температуре, и д-р Ползик говорит, что он «обещает производительность, сравнимую с лучшими устройствами с криогенным охлаждением». Кроме того, радиосигналы в разработанном детекторе эффективно преобразуются в оптические сигналы, которые могут передаваться через оптические кабели с гораздо меньшими потерями, чем электрические сигналы, передающиеся с помощью металлических проводов.

Основой устройства является антенна, которая соединена с конденсатором. Одной из двух пластин конденсатора является чрезвычайно высокого качества мембрана из нитрида кремния, покрытая отражающим слоем алюминия, которая составляет около 500 мкм в поперечнике и толщину примерно 200 нм.

«Радиоволны индуцируют флуктуации заряда в конденсаторе. Прикладывая внешнее напряжение смещения к конденсатору, мы можем преобразовать эти колебания заряда в механические колебания мембраны. В лазерном луче, который отражается от мембраны, создается фазовый сдвиг. Он может быть измерен с помощью стандартных оптических методов. Таким образом, мы преобразуем радиосигнал, обнаруженный с помощью антенны, в оптический», - говорит д-р Ползик.

Когда традиционные радиоприемники улавливают слабые радиоволны, тепловой шум может исказить сигнал. Но когда радиосигналы преобразуются в механические колебания резонансной частоты, случайный тепловой шум становится пренебрежимо малым.

В дальнейшем команда намерена использовать методы микротехнологий для миниатюризации устройства, так чтобы оно могло быть установлено в чип, и улучшить его чувствительность. Планируется также расширить частотный диапазон устройств с мегагерцевого домена до ста мегагерц и далее в гигагерцевую полосу частот, которая имеет самое непосредственное отношение для применения в связи и для зондирования.

Потенциальные применения детектора включают те области, в которых в настоящее время используют охлажденные предусилители. К ним относятся системы ядерного магнитного резонанса с высоким разрешением и радиотелескопы, где используются детекторы, охлаждаемые жидким гелием. Устройства размером с микросхему могут привести к меньшим по размеру и более энергоэффективным системам связи и навигации.

В долгосрочной перспективе, технология может сделать возможным преобразование квантовых состояний микроволнового излучения в оптические квантовые состояния. «Такое преобразование станет важным шагом на пути к распределенным квантовым сетям. Это может помочь исследователям использовать фотоны – идеальные носители квантовой информации – для связи с удаленными сверхпроводящими кубитами», - сказал д-р Ползик.

Мембрана преобразует радиоволны в свет