NIST Membuat Lampu Strobo untuk Menguji Resonator 5G

Di dalam setiap ponsel terdapat jantung mekanis kecil, yang berdetak beberapa miliar kali per detik. Resonator mikromekanis ini memainkan peran penting dalam komunikasi ponsel. Diterpa oleh hiruk-pikuk frekuensi radio di gelombang udara, resonator ini memilih frekuensi yang tepat untuk mengirim dan menerima sinyal antar perangkat seluler. Dengan semakin pentingnya resonator ini, para ilmuwan membutuhkan cara yang andal dan efisien untuk memastikan perangkat berfungsi dengan baik. Itu paling baik dilakukan dengan mempelajari gelombang akustik yang dihasilkan resonator dengan cermat.

Sekarang, para peneliti di National Institute of Standards and Technology (NIST) telah mengembangkan instrumen untuk menggambarkan gelombang akustik ini pada rentang frekuensi yang luas dan menghasilkan “film” dari gelombang tersebut dengan detail yang belum pernah terjadi sebelumnya. Para peneliti mengukur getaran akustik secepat 12 gigahertz (GHz, atau miliaran siklus per detik) dan mungkin dapat memperluas pengukuran tersebut hingga 25 GHz, menyediakan cakupan frekuensi yang diperlukan untuk komunikasi 5G serta untuk aplikasi masa depan yang berpotensi kuat dalam kuantum. informasi. Tantangan untuk mengukur getaran akustik ini kemungkinan akan meningkat karena jaringan 5G mendominasi komunikasi nirkabel, menghasilkan gelombang akustik yang lebih kecil lagi.

Instrumen NIST baru menangkap gelombang ini dalam tindakan dengan mengandalkan perangkat yang dikenal sebagai interferometer optik. Sumber penerangan untuk interferometer ini, biasanya sinar laser yang stabil, 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 bergerak melalui mikroskop yang memfokuskan sinar laser pada resonator mikromekanis yang bergetar dan kemudian dipantulkan kembali. Pulsa lain bertindak sebagai referensi, berjalan di sepanjang jalur yang terus disesuaikan sehingga panjangnya berada dalam mikrometer (sepersejuta meter) dari jarak yang ditempuh oleh pulsa pertama. Ketika dua pulsa bertemu, gelombang cahaya dari masing-masing pulsa tumpang tindih, menciptakan pola interferensi - satu set pinggiran gelap dan terang di mana gelombang membatalkan atau memperkuat satu sama lain. Saat pulsa laser berikutnya memasuki interferometer, pola interferensi berubah saat mikroresonator bergetar ke atas dan ke bawah. Dari pola perubahan pinggiran, peneliti dapat mengukur tinggi (amplitudo) dan fase getaran di lokasi titik laser pada resonator mikromekanis.

Peneliti NIST Jason Gorman dan rekan-rekannya dengan sengaja memilih laser referensi yang berdenyut antara 20 dan 250 kali lebih lambat daripada frekuensi di mana resonator mikromekanis bergetar. Strategi itu memungkinkan pulsa laser menerangi resonator, pada dasarnya, memperlambat getaran akustik, mirip dengan cara lampu sorot tampak memperlambat penari di klub malam. Pelambatan, yang mengubah getaran akustik yang berosilasi pada frekuensi GHz menjadi megahertz (MHz, jutaan siklus per detik), penting karena detektor cahaya yang digunakan oleh tim NIST beroperasi jauh lebih tepat, dengan lebih sedikit noise, pada frekuensi yang lebih rendah ini.

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

Setiap pulsa hanya berlangsung selama 120 femtodetik (sepersepersepersejuta detik), memberikan informasi momen-ke-momen yang sangat tepat tentang getaran. Laser memindai melintasi resonator mikromekanis sehingga amplitudo dan fase getaran dapat diambil sampelnya di seluruh permukaan perangkat bergetar, menghasilkan gambar resolusi tinggi pada rentang frekuensi gelombang mikro yang luas. Dengan menggabungkan pengukuran ini, yang dirata-ratakan pada banyak sampel, para peneliti dapat membuat film tiga dimensi dari mode getaran mikroresonator. Dua jenis mikroresonator digunakan dalam penelitian ini; satu memiliki dimensi 12 mikrometer (sepersejuta meter) kali 65 mikrometer; yang lain berukuran 75 mikrometer pada satu sisi – kira-kira selebar rambut manusia.

Gambar dan film tidak hanya dapat mengungkapkan apakah resonator mikromekanis beroperasi seperti yang diharapkan, tetapi juga dapat menunjukkan area bermasalah, seperti tempat energi akustik bocor keluar dari resonator. Kebocoran membuat resonator kurang efisien dan menyebabkan hilangnya informasi dalam sistem akustik kuantum. Dengan menunjukkan area bermasalah, teknik ini memberi para ilmuwan informasi yang mereka butuhkan untuk meningkatkan desain resonator.