211service.com
Natuurkundigen detecteren radiogolven met licht
De detectie van zwakke radiosignalen is een alomtegenwoordig probleem in de moderne wereld. Alles, van NMR-beeldvorming en radioastronomie tot navigatie en communicatie, hangt af van het oppikken van zwakke radiosignalen die slechts enkele decennia geleden ondetecteerbaar zouden zijn geweest.
Daarom racen veel groepen om betere manieren te vinden om deze signalen te herkennen en te verwerken met behulp van de modernste technieken.
Vandaag demonstreren Tolga Bagci van de Universiteit van Kopenhagen in Denemarken en een groep vrienden een apparaat dat ultrazwakke radiogolven op een geheel nieuwe manier detecteert. Hun nieuwe trukendoos zet radiogolven om in lichtsignalen, die vervolgens kunnen worden verzonden en geanalyseerd met behulp van standaard optische hulpmiddelen. Ons werk introduceert een geheel nieuwe benadering van volledig optische, ultralage ruisdetectie van klassieke elektronische signalen, zeggen ze.
De nieuwe aanpak is in principe eenvoudig. Hun apparaat bestaat uit een dun membraan van siliciumnitride bedekt met een spiegelachtige laag aluminium. Dit nanomembraan is opgehangen boven een elektrode die een condensator vormt die zelf deel uitmaakt van een standaard LC-circuit dat radiogolven oppikt op zijn resonantiefrequentie.
Wanneer dit gebeurt, zorgt het resonerende circuit ervoor dat het nanomembraan gaat trillen.
De truc die Bagci en co hebben gedaan, is om een laserstraal van het nanomembraan te kaatsen, waardoor een optische faseverschuiving ontstaat die ze vervolgens meten met behulp van standaard optische technieken.
Het resultaat is dat het nanomembraan de zwakke radiogolven die het opvangt, omzet in optische signalen.
Deze benadering heeft aanzienlijke voordelen ten opzichte van traditionele radio-ontvangers. Het grote probleem met de huidige methoden voor het detecteren van zwakke radiogolven is dat door hitte gegenereerde ruis het signaal kan overspoelen. De enige manier om dit te omzeilen is door de detectieapparatuur te koelen, een proces dat de complexiteit, omvang en kosten van de klus aanzienlijk verhoogt.
Het grote voordeel van het omzetten van de radiosignalen in een resonerende mechanische trilling is dat het willekeurige effect van warmte verwaarloosbaar wordt. Dat is het mooie van resonantiesystemen. Dus het gereflecteerde licht pikt het radiosignaal op met weinig van de ruis die conventionele radio-ontvangers overspoelt.
De cijfers zijn indrukwekkend. Het nieuwe apparaat heeft een gevoeligheid voor kamertemperatuur van 5 picoVolts per (Hz)^1/2 bij een frequentie van 1 Mhz. Met andere woorden, het doet hetzelfde werk bij kamertemperatuur waar natuurkundigen alleen maar van konden dromen bij de temperatuur van vloeibaar helium.
En dit is slechts een proof of principle-apparaat. Het heeft het potentieel om nog beter te worden met een beetje optimalisatie
Dat zal waarschijnlijk een aanzienlijke impact hebben op een aantal gebieden die afhankelijk zijn van gekoelde versterkers om zwakke radiosignalen op te vangen. Beeldvorming met kernspinresonantie is bijvoorbeeld afhankelijk van de detectie van zwakke radiosignalen die worden gegenereerd door protonen die in een magnetisch veld precessie hebben. En radioastronomen vertrouwen op gekoelde versterkers om de zwakste radiosignalen in de kosmos op te vangen. De doorgaans benodigde cryogeen gekoelde voorversterkers kunnen worden vervangen door onze transducer, zeggen Bagci en co.
Dat zou dit soort werk aanzienlijk moeten vereenvoudigen. Verder vooruitkijkend, is er geen reden waarom dit soort benadering niet een nog bredere toepassing zou hebben, misschien voor gewone mobiele telefooncommunicatie en voor navigatie. Het vermogen om zwakkere signalen te detecteren, zou deze apparaten kleiner kunnen maken en minder energie verbruiken.
En wie heeft er geen kleinere, minder energieverslindende uitrusting nodig?
Referentie: arxiv.org/abs/1307.3467 : Optische detectie van radiogolven door een nanomechanische transducer