Ultra- sensitiven Nachweis von Radiowellen mit Lasern

Funkwellen werden für viele Messungen und Anwendungen , beispielsweise in Verbindung mit Mobiltelefonen verwendet werden , MRI Scans , wissenschaftliche Experimente und kosmische Beobachtungen. Aber "Rauschen" im Detektor des Messgerätes Grenzen , wie sensibel und präzise Messungen kann. Jetzt haben Forscher am Niels-Bohr- Institut haben eine neue Methode , wo sie können Geräusche mit Hilfe von Laserlicht zu vermeiden und kann daher eine extreme Präzision der Messungen entwickelt. Die Ergebnisse sind in der renommierten Fachzeitschrift , Nature veröffentlicht.

"Rauschen" in dem Detektor ein Messgerät ist in erster Linie in Folge der Wärme , die Atome und Elektronen verursacht chaotisch bewegen, so werden die Messungen ungenau. Die übliche Methode , um Rauschen in dem Detektor der Messvorrichtung zu reduzieren, ist daher , um es abzukühlen , um 5-10 Grad Kelvin , die ca. entspricht . minus 265 Grad C. Das ist teuer und stille erlaubt es nicht, die schwächsten Signale zu messen .

"Wir haben einen Detektor, der nicht braucht, um abgekühlt werden entwickelt, aber bei Raumtemperatur betrieben werden kann und doch hat kaum thermische Rauschen . Das einzige Geräusch, das grundsätzlich bleibt, ist sogenannte Quantenrauschen , das die minimalen Schwankungen der ist Laserlicht selbst ", erklärt Eugene Polzik , Professor und Leiter des Forschungszentrums Quantop am Niels-Bohr- Institut an der Universität von Kopenhagen.


Die Nanomembran selbst ist aus Siliciumnitrathergestellt und mit einer dünnen Schicht aus Aluminium überzogen , da es muss eine metallische Substanz , um besser mit dem elektrischen Feld in Wechselwirkung treten . Die Membran wird von der Umgebung , indem sie in einer Vakuumkammer eingeschlossen ist , so dass es reagiert so, als wäre sie auf zwei Grad Kelvin ( minus 271 C) abgekühlt wurde abgetrennt.
Bildnachweis : Ola Jakup Joensen , NBI

Optomechanische Verfahren

Die Methode , die so genannte Optomechanik , ist ein komplexes Zusammenspiel zwischen einer mechanischen Bewegung und optische Strahlung .

Das Experiment besteht aus einer Antenne , die sich die Funkwellen , einen Kondensator und einen Laserstrahl aufnimmt . Die Antenne nimmt die Radiowellen und überträgt das Signal an den Kondensator, der durch den Laserstrahl zu lesen ist - das heißt der Kondensator und der Laserstrahl bilden den Detektor . Aber der Kondensator ist kein gewöhnliches Paar von Metallplatten .

" In unserem System ist eine Metallplatte, die in dem Kondensator durch eine 50 Nanometer dicke Membran ersetzt ( ein Nanometer ist ein Millionstel Millimeter ) . Es ist diese Nanomembran , die uns zu ultrasensitive Messungen ohne Kühlung des Systems machen können , erklärt Forschungsassistent Albert Schließer , der die die Experimente in Quantop der optomechanischen Labor am Niels-Bohr- Institut koordiniert hat .

Er erklärt, dass der Kondensator besteht aus drei Schichten. An der Unterseite ist ein Chip aus Glas mit einer Schicht aus Aluminium, wobei die positiven und negativen Pole gemacht . Die Nanomembran selbst ist aus Siliciumnitrathergestellt und mit einer dünnen Schicht aus Aluminium überzogen , da es muss eine metallische Substanz , um besser mit dem elektrischen Feld in Wechselwirkung treten . Der Chip und die Membran nur mit einem Mikrometer getrennt.


Die Methode , die so genannte Optomechanik , ist ein komplexes Zusammenspiel zwischen einer mechanischen Bewegung und optische Strahlung . Das Laserlicht hat fast keine Geräusche, da alle seine Photonen identisch sind. Auf diese Weise werden die besonderen Eigenschaften der Nano ausgeschöpft .
Künstler Eindruck von Mette Høst

Die Radiowellensignal erzeugt Schwankungen in der Membran und Sie können jetzt lesen Sie die Signal optisch mit einem Laserstrahl . Dies wird durch ein komplexes Zusammenspiel von mechanischen Schwankungen der Membran , die elektrischen Eigenschaften der Metallschicht und dem Licht, das Schlagen wird die Membran durchgeführt .

Die Methode wurde von Eugene Polzik und Albert Schließer in Zusammenarbeit mit den theoretischen Quantenoptik Gruppen am Niels-Bohr- Institut und dem Joint Quantum Institute in Maryland, USA entwickelt. Die elektromechanische Chip wurde auf der Nanotech , DTU entwickelt.

Empfindliche Messungen

Dieses mechanische Verfahren hat drei Arten von Rauschen : Elektrische Störungen in der Antenne , mechanische thermische Rauschen in der Membran und Quantenrauschen des Lichts.

Das elektrische Rauschen ist technisch meist aufgrund von Störungen aus der Umgebung.

"Das war eine technische Herausforderung und die zwei Doktoranden Tolga Bagci und Anders Simonsen haben Tag und Nacht gearbeitet, um das Problem zu lösen . Die Lösung ist gewesen , genau die richtige Art und Weise , um das Experiment zu schützen finden", sagt Albert Schließer . Alles findet bei normaler Raumtemperatur und doch gibt es fast keine mechanischen " thermisches Rauschen " . Dies ist überraschend und beruht auf mehreren Faktoren - einschließlich extrem hohen mechanischen Eigenschaften der Membran und die Membran wird von der Umgebung , indem sie in einer Vakuumkammer eingeschlossen ist , so dass es reagiert so, als wäre sie auf zwei Grad Kelvin (minus abgekühlte abgetrennt 271 C).

Das Laserlicht hat fast keine Geräusche, da alle seine Photonen identisch sind. Auf diese Weise werden die besonderen Eigenschaften der Nano ausgeschöpft .

Bahnbrechende Verfahren

" Diese Membran ist eine extrem gute Oszillator und deshalb ist es so ultra ist . Bei Raumtemperatur wird es funktioniert so effektiv wie wenn es abgekühlt wurde auf minus 271 C und arbeiten , um es noch genauer zu minus 273 ° C zu erhalten, das ist das absolute Minimum. Außerdem ist es ein großer Vorteil , um optische Detektion zu verwenden, da anstelle von gewöhnlichen Kupferleitungen zur Übertragung des Signals , können Sie Glasfaserkabel zu verwenden, wo kein Energieverlust ", erklärt Eugene Polzik .

Dies ist eine bahnbrechende neue Methode zur Messung der elektrischen Signale, die einen wesentlichen Einfluss auf zukünftige Technologien haben könnte. Eugene Polzik und Albert Schließer sehen großes Potenzial in der neuen Super- sensitive Methode , sowohl in Anlagen für die medizinische Behandlung und für Beobachtungen im Raum, in dem Kosmologen messen Radiostrahlung , um die Kindheit des Universums zu studieren.