Filmes de vibrações minúsculas revelam quão bem o 5G e outras redes móveis estão operando – ScienceDaily

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Dentro de cada celular está um pequeno coração mecânico, batendo vários bilhões de vezes por segundo. Esses ressonadores micromecânicos desempenham um papel essencial na comunicação do celular. Atingidos pela cacofonia de frequências de rádio nas ondas de rádio, esses ressonadores selecionam as frequências certas para transmitir e receber sinais entre dispositivos móveis.

Com a crescente importância desses ressonadores, os cientistas precisam de uma maneira confiável e eficiente de garantir que os dispositivos estejam funcionando corretamente. Isso é feito melhor estudando cuidadosamente as ondas acústicas que os ressonadores geram.

Agora, pesquisadores do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (NIST) e seus colegas desenvolveram um instrumento para criar imagens dessas ondas acústicas em uma ampla gama de frequências e produzir “filmes” delas com detalhes sem precedentes.

Os pesquisadores mediram vibrações acústicas tão rápidas quanto 12 gigahertz (GHz, ou bilhões de ciclos por segundo) e podem estender essas medições para 25 GHz, fornecendo a cobertura de frequência necessária para comunicações 5G, bem como para aplicações futuras potencialmente poderosas em quantum. em formação.

O desafio de medir essas vibrações acústicas provavelmente aumentará à medida que as redes 5G dominarem as comunicações sem fio, gerando ondas acústicas ainda menores.

O novo instrumento NIST captura essas ondas em ação, contando com um dispositivo conhecido como interferômetro óptico. A fonte de iluminação para este interferômetro, normalmente um feixe constante de luz laser, é neste caso um laser que pulsa 50 milhões de vezes por segundo, o que é significativamente mais lento do que as vibrações que estão sendo medidas.

O interferômetro a laser compara dois pulsos de luz laser que percorrem caminhos diferentes. Um pulso viaja através de um microscópio que focaliza a luz do laser em um ressonador micromecânico vibrante e é então refletido de volta. O outro pulso atua como referência, percorrendo um caminho que é continuamente ajustado para que seu comprimento esteja dentro de um micrômetro (um milionésimo de metro) da distância percorrida pelo primeiro pulso.

Quando os dois pulsos se encontram, as ondas de luz de cada pulso se sobrepõem, criando um padrão de interferência – um conjunto de franjas escuras e claras onde as ondas se cancelam ou reforçam umas às outras. À medida que os pulsos de laser subsequentes entram no interferômetro, o padrão de interferência muda à medida que o microrressonador vibra para cima e para baixo. A partir do padrão de mudança das franjas, os pesquisadores podem medir a altura (amplitude) e a fase das vibrações no local do ponto do laser no ressonador micromecânico.

O pesquisador do NIST Jason Gorman e seus colegas escolheram deliberadamente um laser de referência que pulsa entre 20 e 250 vezes mais lentamente do que a frequência na qual o ressonador micromecânico vibra. Essa estratégia permitiu que os pulsos de laser iluminando o ressonador, de fato, diminuíssem as vibrações acústicas, semelhante à maneira como uma luz estroboscópica parece desacelerar os dançarinos em uma boate.

A desaceleração, que converte as vibrações acústicas que oscilam nas frequências de GHz em megahertz (MHz, milhões de ciclos por segundo), é importante porque os detectores de luz usados ​​pela equipe do NIST operam com muito mais precisão, com menos ruído, nessas frequências mais baixas.

“Mudar para frequências mais baixas remove a interferência de sinais de comunicação normalmente encontrados em frequências de micro-ondas e nos permite usar fotodetectores com menor ruído elétrico”, disse Gorman.

Cada pulso dura apenas 120 femtossegundos (quadrilionésimos de segundo), fornecendo informações de momento a momento altamente precisas sobre as vibrações. O laser varre o ressonador micromecânico para que a amplitude e a fase das vibrações possam ser amostradas em toda a superfície do dispositivo vibratório, produzindo imagens de alta resolução em uma ampla faixa de frequências de micro-ondas.

Ao combinar essas medidas, calculadas em muitas amostras, os pesquisadores podem criar filmes tridimensionais dos modos vibracionais de um microrressonador. Dois tipos de microressonadores foram usados ​​no estudo; um tinha dimensões de 12 micrômetros (milionésimos de metro) por 65 micrômetros; o outro media 75 micrômetros de lado – aproximadamente a largura de um fio de cabelo humano.

As imagens e os filmes podem não apenas revelar se um ressonador micromecânico está operando conforme o esperado, mas também podem indicar áreas problemáticas, como locais onde a energia acústica está vazando do ressonador. Os vazamentos tornam os ressonadores menos eficientes e levam à perda de informações em sistemas acústicos quânticos. Ao identificar áreas problemáticas, a técnica fornece aos cientistas as informações necessárias para melhorar o design do ressonador.

Na edição de 4 de fevereiro de 2022 de Natureza Comunicações, os pesquisadores relataram que podiam imaginar vibrações acústicas que têm uma amplitude (altura) tão pequena quanto 55 femtômetros (quadrilionésimos de metro), cerca de um e cinco centésimos do diâmetro de um átomo de hidrogênio.

Na última década, os físicos sugeriram que os ressonadores micromecânicos nessa faixa de frequência também podem servir para armazenar informações quânticas frágeis e transferir os dados de uma parte de um computador quântico para outra.

Estabelecer um sistema de imagem que possa medir rotineiramente ressonadores micromecânicos para essas aplicações exigirá mais pesquisas. Mas o estudo atual já é um marco na avaliação da capacidade dos ressonadores micromecânicos de atuar com precisão nas altas frequências que serão necessárias para uma comunicação eficaz e para a computação quântica em um futuro próximo, disse Gorman.



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