Sensor slår svakeste radiobølger inn i lasersignaler


Nanomembranen selv er laget av silisiumnitrat og er belagt med et tynt lag av aluminium, fordi det må være en metallisk substans for bedre å interagere med det elektriske feltet. Membranen separeres fra omgivelsene ved å være innesluttet i et vakuumkammer slik at det reagerer som om det hadde blitt avkjølt til to grader Kelvin (minus 271 C). Fysi

Nanomembranen selv er laget av silisiumnitrat og er belagt med et tynt lag av aluminium, fordi det må være en metallisk substans for bedre å interagere med det elektriske feltet. Membranen separeres fra omgivelsene ved å være innesluttet i et vakuumkammer slik at det reagerer som om det hadde blitt avkjølt til to grader Kelvin (minus 271 C).

Fysikere har funnet en måte å oppdage svake radiobølger og konvertere dem direkte til signaler som kan overføres av fiberoptikk. Oppdagelsen kunne forbedre sensitiviteten til detektorer som brukes i magnetisk resonansbilder og radio-astronomi, og bidrar til å koble fremtidige kvante datamaskiner til et nettverk.

Radio-bølge mottakere bruker antenner for å plukke opp stråling. De innkommende bølgene resonerer med antennen og induserer et skiftende elektrisk signal, som deretter overføres ned en ledning. Svake radiosignaler må styrkes av elektriske forsterkere som transistorer, som introduserer støy - ekstra svingninger som, når de forsterkes, kan svømme signalet. Mengden støyspredning setter grensen til detektorens følsomhet: De beste forsterkerne må være superkjølte for å redusere termiske vibrasjoner som forårsaker støy.

Et team ledet av fysikeren Eugene Polzik ved Universitetet i Köpenhamns Niels Bohr Institutt har nå opprettet en detektor som kan slå radiosignaler til optiske signaler ved romtemperatur uten at det må gå gjennom forsterkning. Enheten er allerede like følsom som toppmoderne elektronikk, sier Polzik.

Opp og ned
Nøkkelen til tilnærmingen, beskrevet i Nature, er en membran av silisiumnitrid mindre enn 200 nanometer tykk, belagt med aluminium og suspendert over en gullplate. Når en antenne plukker opp et radiosignal, skaper det et oscillerende elektrisk signal i kretsen. Dette gir en spenning som blinker frem og tilbake mellom aluminium og gull, og de resulterende tiltrekkende og repellerende elektrostatiske kreftene fører til at membranen beveger seg i takt med bølgen.

Enheten oppdager denne bevegelsen ved å hoppe en laser av membranen og måle hvordan bevegelsen skifter laserens lysbølger, forklarer medforfatter Albert Schliesser, også fysiker ved Niels Bohr Institute. Dette lasersignalet kan leses ut, og nøyaktigheten er bare begrenset av kvantesvingninger i laserlyset, sier han. Testene viser at lyden fra membranen er liten: Selv ved romtemperatur legger membranen 100 ganger mindre lyd enn superkjølte elektroniske forsterkere, sier Schliesser.

Tidligere eksperimenter har lyktes i å konvertere radiofrekvenssignaler til mekaniske vibrasjoner, og ved å dreie mekaniske vibrasjoner til lyssignaler, men Schliesser og hans kolleger har kombinert begge deler til et enkelt system.

Kosmiske signaler
Slike dårlige konverteringer kan finne søknader i radioteleskoper, sier Polzik: Spesielt på satellitter, hvor kryogenkjøling er vanskelig. Teamets enhet kan hjelpe astronomene til å "se på himmelen og prøve å fange de minste signalene fra kosmisk bakgrunnsstråling", sier han. Med videre forbedringer, sier Schliesser at de også kunne bruke enheten til å "levere de klareste MR-skanene som noensinne har blitt sett".

Tero Heikkilä, fysiker ved Universitetet i Jyväskylä i Finland, sier at enheten også kan være nyttig i de fremvoksende feltene for kvantdisplay og kvantekryptografi, hvor informasjonen bæres av kvantebiter eller qubits, laget av fotoner eller andre systemer som kan kode to verdier samtidig. Som en radio-til-optisk omformer kan enheten gjøre det mulig for datamaskiner som arbeider med radiofrekvenser, å sende sin kvanteinformasjon ned optiske fibre. "Ideen ville være å lage" flying qubits "- fotoner - som ville kommunisere og overføre informasjon mellom to kvante datamaskiner som arbeider ved radiofrekvenser, sier Heikkilä.

Francesco Massel, en annen fysiker ved Universitetet i Jyväskylä, advarer om at systemet for øyeblikket er for ineffektivt for de fleste bruksområder. Det konverterer vellyst radiofotonene til optisk lys bare 0, 8% av tiden. Men oppsettet er "definitivt lovende", legger han til. "Det er et fint system, men det er fortsatt en måte å gå til praktiske applikasjoner."

Denne artikkelen er reprodusert med tillatelse fra bladet Nature . Artikkelen ble først publisert 5. mars 2014.

Sporty Science: Mekanikken i et karnevalspillGamle romerske metall brukt til fysikkeksperiment ignorerer vitenskapsfudPartikler funnet å reise raskere enn lysets hastighetDenne uken, verdensmøtet om endring av menneskene, utforsker etiske grenserAstronomer Bruk Shadowy Alien Worlds til peer Inside StarsAnbefalt: Princeton Field Guide til DinosaurerFree-Fall Forensics: Flytende dråper Gjør nysgjerrige kratereOppdrett et gift for å holde avlinger sunt