Розроблено новий надчутливий метод детектування радіохвиль за допомогою світла лазера
В даний час радіохвилі широко використовуються в ряді областей, наприклад, у радіозв'язку, в мережах бездротової передачі даних, у MRI-скануванні, у багатьох наукових дослідженнях, та у спостереженнях за космічним простором. У переважній більшості випадків для детектування радіохвиль використовуються напівпровідникові детектори, які, крім багатьох переваг, володіють істотним недоліком, власними тепловими шумами, рівень яких служить обмеженням чутливості і точності детектування. Дослідники з інституту Нільса Бора розробили новий метод детектування радіохвиль, в якому за допомогою світла лазера вдалося уникнути впливу теплових шумів, що дозволило отримати надзвичайно високу чутливість і роздільну здатність нового детектора.
Тепловий шум у напівпровідниковому детекторі виникає в результаті нагрівання напівпровідникового матеріалу, електрони і атоми якого починають переміщатися хаотичним чином. В деяких особливо важких випадках, рівень цих шумів може бути дорівнює або навіть може перевищувати рівень корисного сигналу. Єдиним методом боротьби з тепловим шумом є охолодження детектора до наднизької температури до 5-10 градусів вище абсолютного нуля, коли все теплове рух в матеріалі буквально завмирає. Але технічна реалізація такого методу досить дорога і за допомогою низькотемпературного детектора не завжди виходить зробити детектування надзвичайно слабкого сигналу.
"Нам вдалося розробити детектор, який не вимагає охолодження, він може працювати при кімнатній температурі і майже не має теплових шумів. Єдиний вид шуму, який впливає на детектіруемого радіохвилі, є так званим квантовим шумом, який виникає в результаті крихітних коливань інтенсивності лазерного світла" - розповідає Юджин Ползик (Eugene Polzik), професор інституту Нільса Бора університету Копенгагена.
В основі конструкції нового детектора лежать принципи оптомеханики, які описують процеси складних взаємодій між механічним рухом і світловим випромінюванням. Детектор складається з антени, приймає радіохвилі, конденсатора і лазера. Прийняті антеною радіохвилі надходять на обкладки конденсатора, який має складнішу конструкцію, ніж звичайна пара металевих пластин. Коливання пластини конденсатора зчитується променем лазерного світла, відображення якого несе інформацію про рівень прийнятого сигналу.
"У нашій оптомеханической системі одна металева пластина конденсатора замінена мембраною з нітриду кремнію, товщиною близько 50 нанометрів. Саме ця наномембрана, має малу масу і надзвичайно високу власну резонансну частоту, дозволяє зробити високочутливе детектування радіохвиль, не вдаючись до низькотемпературного охолодження" - розповідає Альберт Шлиссер (Albert Schliesser), дослідник з інституту Нільса Бора.
Альберт Шлиссер пояснює, що вимірювальний конденсатор має тришарову структуру. Він створений на скляному підставі, покритому шаром алюмінію, металу, досить сильно взаємодіючим з електричним полем. Цей шар алюмінію виконує роль однієї пластини конденсатора, а від другої пластини, якою є наномебрана, його відокремлює всього одні мікрометр відстані.
Радіосигнал приймається змушує коливатися наномембрану з певною частотою. Значення амплітуди і частоти цих коливань досить просто зчитуються з відбитого променя лазерного світла, потужності якого недостатньо для того, щоб вплинути на коливання мембрани і внести спотворення в процес вимірювань. Динамічний діапазон оптомеханического детектора дорівнює 80 дБ, а його чутливість дорівнює 5 пВ/Гц або -210 дБм/Гц при ширині робочої смуги в 1 МГц.
Реалізований метод детектування є інноваційним способом вимірювань рівнів радіосигналів, які мають різне походження. Дослідники бачать величезний потенціал для застосування нового пристрою в медичному обладнанні, за допомогою якого можна буде проводити діагностику і лікування різних захворювань, для області комунікацій і для вивчення космічного простору, де висока чутливість нового детектора дозволить вченим вловити найбільш слабкі радіосигнали, що виникли ще в самому дитинстві" Всесвіту.