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Physiker erkennen Radiowellen mit Licht
Die Erkennung schwacher Funksignale ist ein allgegenwärtiges Problem in der modernen Welt. Von NMR-Bildgebung und Radioastronomie bis hin zu Navigation und Kommunikation hängt alles davon ab, schwache Funksignale aufzunehmen, die noch vor wenigen Jahrzehnten nicht nachweisbar waren.
Deshalb bemühen sich viele Gruppen darum, diese Signale besser zu erkennen und mit modernsten Techniken zu verarbeiten.
Heute demonstrieren Tolga Bagci von der Universität Kopenhagen in Dänemark und eine Gruppe von Freunden ein Gerät, das ultraschwache Radiowellen auf völlig neue Weise erkennt. Ihre neue Trickkiste wandelt Radiowellen in Lichtsignale um, die dann mit optischen Standardwerkzeugen übertragen und analysiert werden können. Unsere Arbeit führt einen völlig neuen Ansatz zur rein optischen, ultra-rauscharmen Detektion klassischer elektronischer Signale ein, heißt es.
Der neue Ansatz ist im Prinzip einfach. Ihr Gerät besteht aus einer dünnen Membran aus Siliziumnitrid, die mit einer spiegelähnlichen Schicht aus Aluminium überzogen ist. Diese Nanomembran wird über einer Elektrode aufgehängt, die einen Kondensator bildet, der selbst Teil einer Standard-LC-Schaltung ist, die Radiowellen mit ihrer Resonanzfrequenz aufnimmt.
Dabei bringt der Resonanzkreis die Nanomembran zum Schwingen.
Der Trick von Bagci und Co. besteht darin, einen Laserstrahl von der Nanomembran abzuprallen, was eine optische Phasenverschiebung verursacht, die sie dann mit optischen Standardtechniken messen.
Das Ergebnis ist, dass die Nanomembran die schwachen Radiowellen, die sie auffängt, in optische Signale umwandelt.
Dieser Ansatz hat erhebliche Vorteile gegenüber herkömmlichen Funkempfängern. Das große Problem bei gegenwärtigen Methoden zur Erkennung schwacher Funkwellen besteht darin, dass durch Hitze erzeugtes Rauschen das Signal überschwemmen kann. Die einzige Möglichkeit, dies zu umgehen, besteht darin, die Detektionsausrüstung zu kühlen, ein Prozess, der die Komplexität, den Umfang und die Kosten der Arbeit erheblich erhöht.
Der große Vorteil der Umwandlung der Funksignale in eine resonante mechanische Schwingung besteht darin, dass die zufällige Wärmeeinwirkung vernachlässigbar wird. Das ist das Schöne an Resonanzsystemen. So nimmt das reflektierte Licht das Funksignal mit wenig Rauschen auf, das herkömmliche Funkempfänger überschwemmt.
Die Zahlen sind beeindruckend. Das neue Gerät hat eine Raumtemperaturempfindlichkeit von 5 PicoVolt pro (Hz)^1/2 bei einer Frequenz von 1 MHz. Mit anderen Worten, es leistet bei Raumtemperatur die gleiche Arbeit, von der Physiker bei der Temperatur von flüssigem Helium nur träumen konnten.
Und dies ist nur ein Proof-of-Principle-Gerät. Es hat das Potenzial, mit ein wenig Optimierung noch besser zu werden
Dies wird wahrscheinlich erhebliche Auswirkungen auf eine Reihe von Bereichen haben, die auf gekühlte Verstärker angewiesen sind, um schwache Funksignale aufzunehmen. Zum Beispiel beruht die Kernspinresonanztomographie auf der Detektion schwacher Radiosignale, die von Protonen erzeugt werden, die in einem Magnetfeld präzedieren. Und Radioastronomen verlassen sich auf gekühlte Verstärker, um die schwächsten Radiosignale im Kosmos aufzufangen. Die sonst benötigten kryogen gekühlten Vorverstärker könnten durch unsere Transducer ersetzt werden, sagen Bagci und Co.
Das sollte diese Art von Arbeit deutlich vereinfachen. Wenn man weiter in die Zukunft blickt, gibt es keinen Grund, warum diese Art von Ansatz nicht noch breitere Anwendungen finden könnte, vielleicht für die normale Mobiltelefonkommunikation und für die Navigation. Die Fähigkeit, schwächere Signale zu erkennen, könnte diese Geräte kleiner und weniger stromhungrig machen.
Und wer braucht da kein kleineres, weniger leistungshungriges Getriebe?
Ref: arxiv.org/abs/1307.3467 : Optische Detektion von Radiowellen durch einen nanomechanischen Wandler