Dentro de cada teléfono celular se encuentra un diminuto corazón mecánico que late varios miles de millones de veces por segundo. Estos resonadores micromecánicos juegan un papel esencial en la comunicación por teléfono móvil. Sacudidos por la cacofonía de las frecuencias de radio en las ondas de aire, estos resonadores seleccionan las frecuencias adecuadas para transmitir y recibir señales entre dispositivos móviles.
Ahora, los investigadores del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) y sus colegas han desarrollado un instrumento para obtener imágenes de estas ondas acústicas en una amplia gama de frecuencias y producir «películas» de ellas con un detalle sin precedentes.
Los investigadores midieron vibraciones acústicas tan rápidas como 12 gigahercios (GHz, o miles de millones de ciclos por segundo) y pueden extender esas mediciones a 25 GHz, brindando la cobertura de frecuencia necesaria para las comunicaciones 5G, así como para aplicaciones futuras potencialmente poderosas en cuántica. información.
Es probable que el desafío de medir estas vibraciones acústicas aumente a medida que las redes 5G dominen las comunicaciones inalámbricas, generando ondas acústicas aún más pequeñas.
El nuevo instrumento del NIST captura estas ondas en acción basándose en un dispositivo conocido como interferómetro óptico. La fuente de iluminación de este interferómetro, normalmente un haz constante de luz láser, es en este caso un láser que pulsa 50 millones de veces por segundo, lo que es significativamente más lento que las vibraciones que se miden.
El interferómetro láser compara dos pulsos de luz láser que viajan a lo largo de caminos diferentes. Un pulso viaja a través de un microscopio que enfoca la luz láser en un resonador micromecánico vibrante y luego se refleja de regreso. El otro pulso actúa como referencia, viajando a lo largo de un camino que se ajusta continuamente para que su longitud esté dentro de un micrómetro (una millonésima de metro) de la distancia recorrida por el primer pulso.
Cuando los dos pulsos se encuentran, las ondas de luz de cada pulso se superponen, creando un patrón de interferencia: un conjunto de franjas claras y oscuras donde las ondas se cancelan o se refuerzan entre sí. A medida que los pulsos láser posteriores ingresan al interferómetro, el patrón de interferencia cambia a medida que el microrresonador vibra hacia arriba y hacia abajo. A partir del patrón cambiante de las franjas, los investigadores pueden medir la altura (amplitud) y la fase de las vibraciones en la ubicación del punto láser en el resonador micromecánico.
El investigador del NIST Jason Gorman y sus colegas eligieron deliberadamente un láser de referencia que pulsa entre 20 y 250 veces más lentamente que la frecuencia a la que vibra el resonador micromecánico. Esa estrategia permitió que los pulsos de láser que iluminaban el resonador, en efecto, ralentizaran las vibraciones acústicas, de forma similar a como una luz estroboscópica parece ralentizar a los bailarines en un club nocturno.
La desaceleración, que convierte las vibraciones acústicas que oscilan a frecuencias de GHz a megahercios (MHz, millones de ciclos por segundo), es importante porque los detectores de luz utilizados por el equipo del NIST funcionan con mucha más precisión, con menos ruido, en estas frecuencias más bajas.
«Pasar a frecuencias más bajas elimina la interferencia de las señales de comunicación que normalmente se encuentran en las frecuencias de microondas y nos permite usar fotodetectores con un ruido eléctrico más bajo», dijo Gorman.
Cada pulso dura solo 120 femtosegundos (cuatrillónésimas de segundo), lo que proporciona información muy precisa momento a momento sobre las vibraciones. El láser escanea el resonador micromecánico para que la amplitud y la fase de las vibraciones se puedan muestrear en toda la superficie del dispositivo vibratorio, produciendo imágenes de alta resolución en una amplia gama de frecuencias de microondas.
Al combinar estas medidas, promediadas sobre muchas muestras, los investigadores pueden crear películas tridimensionales de los modos de vibración de un microrresonador. En el estudio se utilizaron dos tipos de microrresonadores; uno tenía unas dimensiones de 12 micrómetros (millonésimas de metro) por 65 micrómetros; el otro medía 75 micrómetros de lado, aproximadamente el ancho de un cabello humano.
Las imágenes y las películas no solo pueden revelar si un resonador micromecánico está funcionando como se esperaba, sino que también pueden indicar áreas problemáticas, como lugares donde la energía acústica se escapa del resonador. Las fugas hacen que los resonadores sean menos eficientes y conducen a la pérdida de información en los sistemas acústicos cuánticos. Al identificar áreas problemáticas, la técnica brinda a los científicos la información que necesitan para mejorar el diseño del resonador.
En la edición del 4 de febrero de 2022 de comunicaciones de la naturaleza, los investigadores informaron que podían obtener imágenes de vibraciones acústicas que tienen una amplitud (altura) tan pequeña como 55 femtómetros (la cuadrillonésima parte de un metro), aproximadamente una quinientasava parte del diámetro de un átomo de hidrógeno.
Durante la última década, los físicos han sugerido que los resonadores micromecánicos en este rango de frecuencia también pueden servir para almacenar información cuántica frágil y transferir los datos de una parte de una computadora cuántica a otra.
Establecer un sistema de imágenes que pueda medir rutinariamente resonadores micromecánicos para estas aplicaciones requerirá más investigación. Pero el estudio actual ya es un hito en la evaluación de la capacidad de los resonadores micromecánicos para funcionar con precisión en las altas frecuencias que se requerirán para una comunicación efectiva y para la computación cuántica en el futuro cercano, dijo Gorman.