NIST Introduce Luz Estroboscópica para Mejorar Pruebas de Resonadores 5G

Dentro de cada móvil hay un diminuto corazón mecánico, latiendo varios miles de millones de veces por segundo. Estos resonadores micromecánicos juegan un papel esencial en la comunicación de móviles. Azotados por la cacofonía de frecuencias de radio en las ondas, estos resonadores seleccionan justo las frecuencias correctas para transmitir y recibir señales entre dispositivos móviles. Con la creciente importancia de estos resonadores, los científicos necesitan una forma fiable y eficiente de asegurar que los dispositivos funcionan correctamente. Eso se logra mejor estudiando cuidadosamente las ondas acústicas que los resonadores generan.

Nuevo Instrumento: Interferómetro Óptico con Láser Pulsado

Ahora, investigadores del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) han desarrollado un instrumento para imaginar estas ondas acústicas sobre un amplio rango de frecuencias y producir "películas" de ellas con 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, proporcionando la cobertura de frecuencia necesaria para comunicaciones 5G así como para aplicaciones potencialmente poderosas en información cuántica. El desafío de medir estas vibraciones acústicas probablemente aumentará conforme las redes 5G dominen las comunicaciones inalámbricas, generando ondas acústicas aún más diminutas.

El nuevo instrumento de NIST captura estas ondas en acción basándose en un dispositivo conocido como interferómetro óptico. La fuente de iluminación para este interferómetro, normalmente un haz láser constante, es en este caso un láser que pulsa 50 millones de veces por segundo, lo que es significativamente más lento que las vibraciones medidas.

Principio de Funcionamiento: Efecto Estroboscópico

El interferómetro láser compara dos pulsos de luz láser que viajan por 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 vuelta. El otro pulso actúa como referencia, viajando por un camino que se ajusta continuamente para que su longitud esté dentro de un micrómetro (un millonésimo 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 oscuras y claras donde las ondas se cancelan o refuerzan mutuamente. A medida que pulsos láser subsiguientes entran en el interferómetro, el patrón de interferencia cambia a medida que el microrresonador vibra arriba y abajo. Del patrón cambiante de las franjas, los investigadores pueden medir la altura (amplitud) y fase de las vibraciones en la ubicación del punto láser en el resonador micromecánico.

El investigador de NIST Jason Gorman y sus colegas eligieron deliberadamente un láser de referencia que pulsa entre 20 y 250 veces más lento que la frecuencia a la que vibra el resonador micromecánico. Esa estrategia permitió que los pulsos láser que iluminan el resonador, en efecto, ralenticen las vibraciones acústicas, similar a como una luz estroboscópica parece ralentizar bailarines en una discoteca. La ralentización, que convierte vibraciones acústicas que oscilan a frecuencias GHz a megahercios (MHz, millones de ciclos por segundo), es importante porque los detectores de luz usados por el equipo de NIST operan mucho más precisamente, con menos ruido, a estas frecuencias más bajas.

"Mover a frecuencias más bajas elimina interferencia de señales de comunicación típicamente encontradas en frecuencias de microondas y nos permite usar fotodetectores con menor ruido eléctrico", dijo Gorman.

Resultados: Películas 3D de Modos Vibracionales

Cada pulso dura solo 120 femtosegundos (cuatrillonésimas de segundo), proporcionando información momento a momento altamente precisa sobre las vibraciones. El láser escanea a través del resonador micromecánico para que la amplitud y fase de las vibraciones puedan muestrearse en toda la superficie del dispositivo vibrante, produciendo imágenes de alta resolución sobre un amplio rango de frecuencias de microondas. Combinando estas mediciones, promediadas sobre muchas muestras, los investigadores pueden crear películas tridimensionales de los modos vibracionales de un microrresonador. Se usaron dos tipos de microrresonadores en el estudio; uno tenía dimensiones de 12 micrómetros (millonésimas de metro) por 65 micrómetros; el otro medía 75 micrómetros de lado — aproximadamente el ancho de un cabello humano.

No solo las imágenes y películas pueden revelar si un resonador micromecánico está operando como se espera, también pueden indicar áreas problemáticas, como lugares donde la energía acústica se escapa del resonador. Las fugas hacen los resonadores menos eficientes y conducen a pérdida de información en sistemas acústicos cuánticos. Al identificar áreas problemáticas, la técnica da a los científicos la información que necesitan para mejorar el diseño del resonador.