Door licht te laten reflecteren door een trillend nano-membraan, kunnen geleerden nu op een geheel nieuwe wijze radiogolven detecteren.
Het detecteren van zwakke radiosignalen is een alomtegenwoordig probleem in de moderne wereld. Je vindt het probleem in de NMR imaging (Nuclear Magnetic Resonance, te vergelijken met MRI maar dan nog gevoeliger – red.), de radio-astronomie maar ook in navigatie en communicatie-apparatuur; allen zijn afhankelijk van het oppikken van zwakke radiosignalen die een tiental jaren geleden onmogelijk te detecteren zouden zijn. En daarom zijn hele groepen wetenschappers bezig om te proberen dit soort signalen op te vangen en te verwerken met de allerlaatste technieken.
Aan de Universiteit van Kopenhagen in Denemarken demonstreert Tolga Bagci met een groep medewerkers een apparaat dat superzwakke radiosignalen op een geheel nieuwe manier detecteert. De werking is gebaseerd op het omzetten van radiosignalen in lichtsignalen, die daarna uitgezonden en geanalyseerd kunnen worden met behulp van standaard optische apparatuur. “Ons werk introduceert een compleet nieuwe benadering van volledig optische, ultra-lage ruis detectie van klassieke elektronische signalen,” zeggen ze.
In principe is de nieuwe benadering eenvoudig. Hun apparaat bestaat uit een dun membraan van silicium nitride bedekt met een spiegelend aluminium laagje. Dit nanomembraan wordt aangebracht boven een electrode waarmee het een condensator vormt, die op zijn beurt weer onderdeel is van een standaard LC resonantiecircuit dat afgestemd is op de gewenste frequentie. Door de resonantie gaat het nanomembraan trillen.
De truc die Bagci en de zijnen daarmee uithalen, is dat ze een laserstraal laten reflecteren tegen het spiegelende membraan waardoor een optische faseverschuiving ontstaat die ze kunnen meten met standaar optische technieken.
Het resultaat is dat het nanomembraan de zwakke radiosignalen omzet in optische signalen.
Deze benadering heeft aanzienlijke voordelen ten opzichte van traditionele radio-ontvangers. Het grootste probleem met de huidige detectietechnieken voor zwakke signalen is dat thermische ruis een signaal kan verzuipen. De enige manier om dat te voorkomen, is het koelen van de detectie apparatuur; een proces dat de complexiteit, afmetingen en kosten van de detector niet ten goede komt.
Het grote voordeel van het omzetten van de radiosignalen door een mechanisch resonerend systeem is dat de random invloed van warmte verwaarloosbaar wordt. Het gereflecteerde licht bevat dus feitelijk het schone radiosignaal vrijwel zonder de ruis waardoor conventionele ontvangers gehinderd worden.
De getallen zijn indrukwekkend. Het nieuwe apparaat heeft een gevoeligheid bij kamertemperatuur van 5 picoVolt per (Hz)^1/2 (Lees: wortel Hz) bij een frequentie van 1 MHz. In andere woorden: het ding doet hetzelfde bij kamertemperatuur als waar geleerden normaal over dromen bij de temperatuur van vloeibare helium…
En dit is nog maar een prototype. Met enige optimalisatie kan het nog veel beter gaan werken.
Deze ontwikkeling kan een grote invloed hebben op een aantal terreinen waar men afhankelijk is van gekoelde versterkers voor het opvangen van zwakke radiosignalen. Bijvoorbeeld Nuclear Magnetic Resonance fotografie is afhankelijk van de detectie van zwakke radiosignalen, veroorzaakt door protonen die zich door een magnetisch veld bewegen. En radio astronomen zijn afhankelijk van gekoelde versterkers voor het opvangen van de zwakst mogelijke radiosignalen uit het heelal. “De gebruikelijke cryogeen gekoelde voorversterkers kunnen dan vervangen worden door onze omzetter,” zegt Bagci.
Dat kan dit soort werk een hoop eenvoudiger maken. En doorfilosoferend is er geen enkele reden waarom we deze techniek niet breder in kunnen gaan zetten, zoals bijvoorbeeld in mobiele telefoons of onze mastversterkers voor EME e.d. Doordat bijvoorbeeld mobiele telefoons met minder signaal toe kunnen, hebben ze minder energie nodig, en dan kunnen ze nog kleiner worden (of veel langer mee gaan). En wie wil dat niet?