NIST Introduz Luz Estroboscópica para Aprimorar Testes de Ressonadores 5G

Dentro de cada celular existe um minúsculo coração mecânico, batendo vários bilhões de vezes por segundo. Esses ressonadores micromecânicos desempenham papel essencial na comunicação de celulares. Bombardados pela cacofonia de radiofrequências nas ondas de rádio, esses ressonadores selecionam apenas as frequências certas para transmitir e receber sinais entre dispositivos móveis. Com a crescente importância desses ressonadores, cientistas precisam de uma maneira confiável e eficiente de garantir que os dispositivos estão funcionando corretamente. Isso é melhor accomplished estudando cuidadosamente as ondas acústicas que os ressonadores geram.

Novo Instrumento do NIST: Filmes de Ondas Acústicas

Agora, pesquisadores do National Institute of Standards and Technology (NIST) desenvolveram um instrumento para imaginar essas 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 a 25 GHz, fornecendo cobertura de frequência necessária para comunicações 5G, bem como para aplicações futuras potencialmente poderosas em informação quântica. O desafio de medir essas vibrações acústicas provavelmente aumentará à medida que redes 5G dominem comunicações sem fio, gerando ondas acústicas ainda menores.

Interferômetro Óptico com Laser Pulsado

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

O interferômetro a laser compara dois pulsos de luz laser que viajam por caminhos diferentes. Um pulso viaja através de um microscópio que foca a luz laser em um ressonador micromecânico vibrante e é então refletido de volta. O outro pulso atua como referência, viajando por um caminho 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 claras e escuras onde as ondas se cancelam ou reforçam. À medida que pulsos subsequentes entram no interferômetro, o padrão de interferência muda à medida que o microressonador vibra para cima e para baixo. A partir do padrão mutante das franjas, pesquisadores podem medir a altura (amplitude) e fase das vibrações no local do ponto do laser no ressonador micromecânico.

Efeito Estroboscópico Reduz Frequência para Detecção Precisa

O pesquisador do NIST Jason Gorman e seus colegas deliberadamente escolheram um laser de referência que pulsa entre 20 e 250 vezes mais lentamente que a frequência na qual o ressonador micromecânico vibra. Essa estratégia permitiu que os pulsos de laser iluminando o ressonador, na prática, desacelerassem as vibrações acústicas, semelhante à forma como uma luz estroboscópica parece desacelerar dançarinos em uma boate. A desaceleração, que converte vibrações acústicas que oscilam em frequências GHz para megahertz (MHz, milhões de ciclos por segundo), é importante porque os detectores de luz usados pela equipe do NIST operam muito mais precisamente, com menos ruído, nestas frequências mais baixas.

"Mover para frequências mais baixas remove interferência de sinais de comunicação tipicamente encontrados em frequências de micro-ondas e nos permite usar fotodetectores com ruído elétrico menor", disse Gorman.

Cada pulso dura apenas 120 femtossegundos (quadrilionésimos de segundo), fornecendo informação momento a momento altamente precisa sobre as vibrações. O laser varre o ressonador micromecânico para que amplitude e fase das vibrações possam ser amostradas em toda a superfície do dispositivo vibrante, produzindo imagens de alta resolução em ampla gama de frequências de micro-ondas. Combinando essas medições, médias sobre muitas amostras, os pesquisadores podem criar filmes tridimensionais dos modos vibracionais de um microressonador. Dois tipos de microressonadores foram usados no estudo; um tinha dimensões de 12 micrômetros por 65 micrômetros; o outro media 75 micrômetros de lado — aproximadamente a largura de um fio de cabelo humano.

Identificação de Vazamentos de Energia Acústica

Não apenas as imagens e filmes podem revelar se um ressonador micromecânico está operando como esperado, eles também podem indicar áreas problemáticas, como locais onde energia acústica está vazando do ressonador. Os vazamentos tornam ressonadores menos eficientes e levam a perda de informação em sistemas acústicos quânticos. Ao identificar áreas problemáticas, a técnica dá aos cientistas a informação necessária para melhorar o design do ressonador.