В настоящее время радиоволны широко используются в ряде областей, к примеру, в радиосвязи, в сетях беспроводной передачи данных, в MRI-сканировании, во многих научных исследованиях и в наблюдениях за космическим пространством. В подавляющем большинстве случаев для детектирования радиоволн используются полупроводниковые детекторы, которые, помимо многих достоинств, обладают существенным недостатком, собственными тепловыми шумами, уровень которых служит ограничением чувствительности и точности детектирования. Исследователи из института Нильса Бора разработали новый метод детектирования радиоволн, в котором при помощи света лазера удалось избежать влияния тепловых шумов, что позволило получить чрезвычайно высокую чувствительность и разрешающую способность нового детектора.
Тепловой шум в полупроводниковом детекторе возникает в результате нагрева полупроводникового материала, электроны и атомы которого начинают перемещаться хаотичным образом. В некоторых особо тяжелых случаях, уровень этих шумов может быть равен или даже может превышать уровень полезного сигнала. Единственным методом борьбы с тепловым шумом является охлаждение детектора до сверхнизкой температуры в 5-10 градусов выше абсолютного нуля, когда все тепловое движение в материале буквально замирает. Но техническая реализация такого метода достаточно дорога и при помощи низкотемпературного детектора не всегда получается произвести детектирование чрезвычайно слабого радиосигнала.
«Нам удалось разработать детектор, который не требует охлаждения, он может работать при комнатной температуре и почти не имеет тепловых шумов. Единственный вид шума, который влияет на детектируемые радиоволны, является так называемым квантовым шумом, который возникает в результате крошечных колебаний интенсивности лазерного света» — рассказывает Юджин Ползик (Eugene Polzik), профессор института Нильса Бора университета Копенгагена.
В основе конструкции нового детектора лежат принципы оптомеханики, которые описывают процессы сложных взаимодействий между механическим движением и световым излучением. Детектор состоит из антенны, принимающей радиоволны, конденсатора и лазера. Принятые антенной радиоволны поступают на обкладки конденсатора, который имеет более сложную конструкции, нежели чем обычная пара металлических пластин. Колебания пластины конденсатора считывается лучом лазерного света, отражение которого несет информацию об уровне принимаемого радиосигнала.
«В нашей оптомеханической системе одна металлическая пластина конденсатора заменена мембраной из нитрида кремния, толщиной около 50 нанометров. Именно эта наномембрана, имеющая малую массу и чрезвычайно высокую собственную резонансную частоту, позволяет произвести высокочувствительное детектирование радиоволн, не прибегая к низкотемпературному охлаждению» — рассказывает Альберт Шлиссер (Albert Schliesser), исследователь из института Нильса Бора.
Альберт Шлиссер объясняет, что измерительный конденсатор имеет трехслойную структуру. Он создан на стеклянном основании, покрытом слоем алюминия, металла, достаточно сильно взаимодействующим с электрическим полем. Этот слой алюминия выполняет роль одной пластины конденсатора, а от второй пластины, которой является наномебрана, его отделяет всего одни микрометр расстояния.
Принимаемый радиосигнал заставляет колебаться наномембрану с определенной частотой. Значения амплитуды и частоты этих колебаний достаточно просто считываются с отраженного луча лазерного света, мощности которого недостаточно для того, чтобы повлиять на колебания мембраны и внести искажения в процесс измерений. Динамический диапазон оптомеханического детектора равен 80 дБ, а его чувствительность равна 5 пВ/Гц или -210 дБм/Гц при ширине рабочей полосы в 1 МГц.
Реализованный метод детектирования является инновационным способом измерений уровней радиосигналов, имеющих самое различное происхождение. Исследователи видят огромный потенциал для применения нового устройства в медицинском оборудовании, при помощи которого можно будет производить диагностику и лечение различных заболеваний, для области коммуникаций и для изучения космического пространства, где высокая чувствительность нового детектора позволит ученым уловить самые слабые радиосигналы, возникшие еще в самом «младенчестве» Вселенной.
