Ultrasensitiv måling af radiobølger med laser
Radiobølger indgår i mange målinger og funktioner som f.eks. kommunikation med mobiltelefoner, MR-scanninger, videnskabelige eksperimenter og kosmiske observationer. Men 'støj' i selve måleudstyrets detektor giver en begrænsning i, hvor følsomme og nøjagtige målingerne kan blive. Nu har forskere på Niels Bohr Institutet udviklet en ny metode, hvor man ved hjælp af laserlys undgår støj og derfor kan opnå ekstremt præcise målinger. Resultaterne er publiceret i det ansete videnskabelige tidsskrift, Nature.
Metoden, der kaldes opto-mekanik, er et kompliceret samspil mellem en mekanisk bevægelse og optisk stråling. Laserlyset har næsten ingen støj, da alle dets fotoner er identiske. På den måde udnyttes nano-membranens særlige egenskaber fuldt ud. (Kunstnerisk gengivelse: Mette Høst)
'Støj' i et måleudstyrs detektor er først og fremmest varme, der får atomer og elektroner til at bevæge sig hurtigt, så målingerne bliver upræcise. Den sædvanlige metode til at begrænse støj i måleudstyrets detektor er derfor ved at køle den ned til 5-10 Kelvingrader, hvilket svarer til ca. minus 265 grader C. Det er dyrt, men stadigvæk kan forskerne ikke måle de svageste signaler.
"Vi har udviklet en detektor, der ikke behøver nedkøling, men som kan fungere ved stuetemperatur og alligevel næsten ikke har varmestøj. Den eneste støj, der fundamentalt er tilbage, er såkaldt kvantestøj, som er laserlysets egne minimale svingninger", fortæller Eugene Polzik, professor og leder af grundforskningscentret Quantop på Niels Bohr Institutet ved Københavns Universitet.
Opto-mekanisk metode
Metoden, der kaldes opto-mekanik, er et kompliceret samspil mellem en mekanisk bevægelse og optisk stråling.
Eksperimentet består af en antenne, der opfanger radiobølgerne, en kondensator og en laserstråle. Antennen opfanger radiobølgerne, som overfører signalet til kondensatoren, der aflæses af laserstrålen - det vil sige, at kondensatoren og laserstrålen tilsammen er detektoren. Men kondensatoren er ikke en almindelig metalplade.
Selve nano-membranen består af silicium-nitrat, der er belagt med et tyndt lag aluminium, da der skal være et metallisk stof til bedre at kunne vekselvirke med det elektriske felt. Membranen er adskilt fra omgivelserne ved at være lukket inde i et vacuum-kammer, så den reagerer som om den var kølet ned til to grader Kelvin (minus 271 grader C).
"I vores system er metalpladen i kondensatoren erstattet af en membran på 50 nanometer i tykkelse (en nanometer er en milliontedel af en millimeter). Det er denne nano-membran, der gør, at vi kan lave ultrafølsomme målinger uden at nedkøle systemet, fortæller forskningsadjunkt Albert Schliesser, der har ledet arbejdet med eksperimenterne i Quantops optomekaniske laboratorier på Niels Bohr Institutet.
Han forklarer, at kondensatoren er bygget op af tre lag. Nederst er der en chip bestående af glas med et lag af aluminium, hvor plus- og minuspolerne sidder. Selve nano-membranen består af silicium-nitrat, og den er belagt med et tyndt lag aluminium, da der skal være et metallisk stof til bedre at kunne vekselvirke med det elektriske felt. Chippen og membranen er kun adskilt med en mikrometer.
Signalerne fra radiobølgestrålingen frembringer svingninger i membranen, og man kan nu aflæse signalet optisk med en laserstråle. Det foregår via et komplekst samspil mellem membranens mekaniske svingninger, de elektriske egenskaber af det metalliske lag og lyset, der rammer membranen.
Eksperimenterne er udført her i de kvanteoptiske laboratorier på Niels Bohr Institutet. Forskningsgruppen består af forskningsadjunkt Albert Schliesser ph.d.-studerende Tolga Bagci og Anders Simonsen samt professor Eugene Polzik.
Metoden er udviklet i et samarbejde mellem den teoretiske kvanteoptik-gruppe på Niels Bohr Institutet og Joint Quantum Institute i Maryland, USA. Den elektro-mekaniske chip blev udviklet på Nanotech, DTU.
Ultrafølsomme målinger
Denne opto-mekaniske metode har tre typer støj: Elektrisk støj i antennen, mekanisk varmestøj i membranen og kvantestøj i lyset. Den elektriske støj er teknisk, og det vil mest sige forstyrrelser fra omgivelserne.
"Det har været en teknisk udfordring, og de to ph.d.-studerende Anders Simonsen og Tolga Bagci har arbejdet dage og nætter for at løse dette problem. Løsningen har været at finde den helt rigtige måde at afskærme eksperimentet på", siger Albert Schliesser.
De to ph.d.-studerende Anders Simonsen og Tolga Bagci har arbejdet dage og nætter for at løse problemet med elektriske støj, det vil mest sige forstyrrelser fra omgivelserne. Løsningen har været at finde den helt rigtige måde at afskærme eksperimentet på.
Alt foregår ved almindelig rumtemperatur, og alligevel er der næsten ingen mekaniske 'varmestøj'. Det er overraskende og skyldes flere ting – bl.a. membranens ekstremt høje mekaniske egenskaber, og at membranen er adskilt fra omgivelserne ved at være lukket inde i et vacuum-kammer, så den reagerer som om den var kølet ned til to grader Kelvin (minus 271 grader C).
Laserlyset har næsten ingen støj, da alle dets fotoner er identiske. På den måde udnyttes nano-membranens særlige egenskaber fuldt ud.
Banebrydende metode
"Denne membran er fremragende til at frembringe svingninger, og det er derfor, den er så ultrafølsom. Ved stuetemperatur fungerer den så effektivt, som var den kølet ned til minus 271 grader C, og vi arbejder på at få den helt ned til minus 273 grader C, hvilket er absolut minimum. Derudover er det en meget stor fordel at anvende optisk detektering, da man istedet for at skulle bruge almindelige kobberkabler til at videresende signalet kan anvende lyslederkabler, hvor der ingen energitab er", siger Eugene Polzik.
Metoden er udviklet af Eugene Polzik og Albert Schliesser i et samarbejde mellem den teoretiske kvanteoptik-gruppe på Niels Bohr Institutet og Joint Quantum Institute i Maryland, USA.
Dette er en banebrydende ny metode til at måle elektriske signaler, som kan få stor indvirkning på fremtidens teknologier, og Eugene Polzik og Albert Schliesser ser meget store perspektiver i den nye fintmærkende målemetode, både indenfor udstyr til medicinsk behandling og til observationer i rummet, hvor kosmologerne måler radiostråling for at udforske universets barndom.