Seiring semakin pentingnya resonator ini, para ilmuwan membutuhkan cara yang andal dan efisien untuk memastikan bahwa perangkat mereka berfungsi dengan baik. Hal ini paling baik dicapai dengan mempelajari secara cermat gelombang suara yang dihasilkan oleh resonator.

Saat ini, para peneliti dan kolega di Institut Nasional Standar dan Teknologi (NIST) telah mengembangkan peralatan untuk menggambarkan gelombang suara ini pada rentang frekuensi yang luas dan membuat “film” mereka dalam detail yang belum pernah terjadi sebelumnya. …

Para peneliti telah mengukur 12 gigahertz (GHz, atau miliaran siklus per detik) getaran akustik dan memperluas pengukuran tersebut hingga 25 GHz untuk aplikasi masa depan yang berpotensi kuat dalam komunikasi dan kuantum 5G. Mungkin dapat menyediakan cakupan frekuensi yang diperlukan. informasi.

Tantangan untuk mengukur getaran akustik ini dapat meningkat karena jaringan 5G mendominasi komunikasi nirkabel dan menghasilkan gelombang suara yang lebih kecil.

Peralatan NIST baru menangkap gelombang ini dalam operasi dengan mengandalkan perangkat yang disebut interferometer optik. Sumber penerangan untuk interferometer ini biasanya sinar laser stasioner, dalam hal ini laser yang berdenyut 50 juta kali per detik, yang secara signifikan lebih lambat daripada getaran yang diukur.

Interferometer laser membandingkan dua pulsa sinar laser yang berjalan di sepanjang jalur yang berbeda. Satu pulsa melewati mikroskop yang memfokuskan sinar laser pada resonator mikromekanis yang bergetar, dan dipantulkan kembali. Pulsa lain bertindak sebagai referensi dan bergerak sepanjang jalur yang panjangnya terus menerus disesuaikan agar berada dalam mikrometer (1 / 1.000.000 meter) dari jarak yang ditempuh oleh pulsa pertama.

Ketika dua pulsa bertemu, gelombang cahaya dari masing-masing pulsa tumpang tindih untuk menciptakan pola interferensi. Ini adalah rangkaian garis-garis gelap dan terang di mana gelombang-gelombang itu saling meniadakan atau menguatkan. Ketika pulsa laser berikutnya memasuki interferometer, pola interferensi berubah saat rongga mikro bergetar ke atas dan ke bawah. Dari perubahan pola fringe tersebut, peneliti dapat mengukur tinggi (amplitudo) dan fase getaran pada lokasi laser spot di resonator mikromekanis.

Peneliti NIST Jason Gorman dan rekan-rekannya sengaja memilih laser referensi yang berdenyut pada kecepatan 20-250 kali frekuensi di mana resonator mikromekanis berosilasi. Dengan strategi itu, pulsa laser yang menerangi resonator mampu secara efektif memperlambat getaran akustik, seperti lampu sorot yang akan muncul untuk memperlambat penari klub malam.

Fotodetektor yang digunakan oleh tim NIST kurang bising pada frekuensi rendah ini dan beroperasi jauh lebih akurat, menghasilkan perlambatan yang mengubah getaran akustik yang berosilasi pada frekuensi GHz menjadi megahertz (MHz, jutaan siklus per detik).

“Pindah ke frekuensi yang lebih rendah menghilangkan gangguan dari sinyal komunikasi yang biasa ditemukan pada frekuensi gelombang mikro, memungkinkan kami untuk menggunakan fotodetektor dengan noise listrik yang lebih rendah,” kata Gorman.

Setiap pulsa hanya berlangsung selama 120 femtodetik (ratusan miliar detik) dan memberikan informasi momen demi momen yang sangat akurat tentang getaran. Karena laser memindai seluruh resonator mikromekanis, amplitudo dan fase getaran dapat diambil sampelnya di seluruh permukaan perangkat bergetar untuk menghasilkan gambar resolusi tinggi pada rentang frekuensi gelombang mikro yang luas.

Dengan menggabungkan rata-rata pengukuran ini pada banyak sampel, peneliti dapat membuat film 3D dari mode getaran mikroresonator. Dua jenis rongga mikro digunakan dalam penelitian ini. Salah satunya adalah 12 mikrometer (sepersejuta meter) x 65 mikrometer. Yang lainnya adalah 75 mikrometer di satu sisi, kira-kira selebar rambut manusia.

Gambar dan video tidak hanya dapat mengungkapkan apakah resonator mikromekanis bekerja seperti yang diharapkan, tetapi juga dapat menunjukkan area masalah seperti di mana energi suara bocor dari resonator. Kebocoran mengurangi efisiensi resonator dan kehilangan informasi dalam sistem akustik kuantum. Dengan mengidentifikasi area masalah, teknologi ini memberi para ilmuwan informasi yang mereka butuhkan untuk meningkatkan desain resonator mereka.

Edisi 4 Februari 2022 Komunikasi alam, Para peneliti telah melaporkan bahwa mereka dapat mencitrakan getaran akustik dengan amplitudo kecil (tinggi) 55 femtometer (1/4 meter), yaitu sekitar 1/500 diameter atom hidrogen.

Selama dekade terakhir, fisikawan telah menunjukkan bahwa resonator mikromekanis dalam rentang frekuensi ini juga dapat membantu menyimpan informasi kuantum yang rapuh dan mentransfer data dari satu bagian komputer kuantum ke bagian lain.Saya telah menyarankan.

Penelitian lebih lanjut diperlukan untuk membangun sistem pencitraan yang secara rutin dapat mengukur resonator mikromekanis untuk aplikasi ini. Namun, penelitian saat ini sudah merupakan terobosan dalam menilai kemampuan resonator mikromekanis untuk berfungsi secara akurat pada frekuensi tinggi untuk komunikasi yang efektif dan komputasi kuantum dalam waktu dekat, kata Gorman.