Luce stroboscopica per 5G: il sistema di imaging degli scienziati del NIST mette in luce i minuscoli cuori meccanici al centro di ogni cellulare
All'interno di ogni cellulare si trova un minuscolo cuore meccanico, che batte diversi miliardi di volte al secondo. Questi risonatori (o risuonatori) micromeccanici svolgono un ruolo essenziale nella comunicazione cellulare. Colpiti dalla cacofonia delle frequenze radio nelle onde radio, questi risuonatori selezionano le frequenze giuste per trasmettere e ricevere segnali tra dispositivi mobili. Con la crescente importanza di questi risonatori, gli scienziati hanno bisogno di un modo affidabile ed efficiente per assicurarsi che i dispositivi funzionino correttamente. Ciò si ottiene studiando attentamente le onde acustiche generate dai risonatori.
Ora, i ricercatori del National Institute of Standards and Technology (NIST) e i loro colleghi hanno sviluppato uno strumento per visualizzare queste onde acustiche su un'ampia gamma di frequenze e produrne “film” con dettagli senza precedenti.
I ricercatori hanno misurato vibrazioni acustiche fino a 12 gigahertz (GHz, o miliardi di cicli al secondo) e potrebbero essere in grado di estendere tali misurazioni a 25 GHz, fornendo la copertura di frequenza necessaria per le comunicazioni 5G e per applicazioni future potenzialmente potenti nel campo dell'informazione quantistica.
È probabile che la sfida di misurare queste vibrazioni acustiche aumenti poiché le reti 5G dominano le comunicazioni wireless, generando onde acustiche ancora più piccole.
Il nuovo strumento del NIST, descritto in un articolo pubblicato su Nature Communications, (1) cattura queste onde in azione facendo affidamento su un dispositivo noto come interferometro ottico. La sorgente di illuminazione per questo interferometro, normalmente, ha un raggio di luce laser costante. In questo caso il laser pulsa 50 milioni di volte al secondo, che è significativamente più lento delle vibrazioni misurate.
L'interferometro laser confronta due impulsi di luce laser che viaggiano lungo percorsi diversi. Un impulso viaggia attraverso un microscopio che focalizza la luce laser su un risonatore micromeccanico vibrante e viene quindi riflesso indietro. L'altro impulso funge da riferimento, percorrendo un tragitto che viene continuamente regolato in modo che la sua lunghezza sia entro un micrometro (un milionesimo di metro) della distanza percorsa dal primo impulso.
Quando i due impulsi si incontrano, le onde luminose di ciascun impulso si sovrappongono, creando uno schema di interferenza: una serie di frange scure e chiare in cui le onde si annullano o si rafforzano a vicenda. Quando gli impulsi laser successivi entrano nell'interferometro, il pattern di interferenza cambia mentre il microrisonatore vibra su e giù. Dal modello mutevole delle frange, i ricercatori possono misurare l'altezza (ampiezza) e la fase delle vibrazioni nella posizione del punto laser sul risonatore micromeccanico.
Il dottor Jason J. Gorman, (2) ricercatore presso il NIST, e i suoi colleghi hanno deliberatamente scelto un laser di riferimento che pulsa da 20 a 250 volte più lentamente della frequenza che vibra il risonatore micromeccanico. Questa strategia ha consentito agli impulsi laser che illuminano il risonatore di rallentare, in effetti, le vibrazioni acustiche, in modo simile al modo in cui una luce stroboscopica sembra rallentare i ballerini in una discoteca.
Il rallentamento, che converte le vibrazioni acustiche che oscillano alle frequenze GHz in megahertz (MHz, milioni di cicli al secondo), è importante perché i rilevatori di luce utilizzati dal team del NIST funzionano in modo molto più preciso, con meno rumore, a queste frequenze più basse.
«Il passaggio a frequenze più basse rimuove le interferenze dai segnali di comunicazione che si trovano tipicamente alle frequenze delle microonde e ci consente di utilizzare fotorilevatori con un rumore elettrico inferiore», ha affermato Gorman.
Ogni impulso dura solo 120 femtosecondi (quadrilionesimi di secondo), fornendo informazioni momento per momento altamente precise sulle vibrazioni. Il laser esegue la scansione attraverso il risonatore micromeccanico in modo che l'ampiezza e la fase delle vibrazioni possano essere campionate sull'intera superficie del dispositivo vibrante, producendo immagini ad alta risoluzione su un'ampia gamma di frequenze delle microonde.
Combinando queste misurazioni, mediate su molti campioni, i ricercatori possono creare filmati tridimensionali delle modalità vibrazionali di un microrisuonatore. Nello studio sono stati utilizzati due tipi di microrisuonatori; uno aveva dimensioni di 12 micrometri (milionesimi di metro) per 65 micrometri; l'altro misurava 75 micrometri su un lato, circa la larghezza di un capello umano.
Le immagini e i filmati non solo possono rivelare se un risuonatore micromeccanico sta funzionando come previsto, ma possono anche indicare aree problematiche, come i luoghi in cui l'energia acustica fuoriesce dal risuonatore. Le perdite rendono i risonatori meno efficienti e portano alla perdita di informazioni nei sistemi acustici quantistici. Individuando le aree problematiche, la tecnica fornisce agli scienziati le informazioni di cui hanno bisogno per migliorare la progettazione del risonatore.
Nell'articolo di Nature Communications, i ricercatori hanno riferito di poter visualizzare vibrazioni acustiche che hanno un'ampiezza (altezza) di appena 55 femtometri (quadrilionesimi di metro), circa un cinquecentesimo del diametro di un atomo di idrogeno.
Nell'ultimo decennio, i fisici hanno suggerito che i risonatori micromeccanici in questa gamma di frequenze possono anche servire per memorizzare fragili informazioni quantistiche e per trasferire i dati da una parte all'altra di un computer quantistico.
«La creazione di un sistema di imaging in grado di misurare regolarmente risonatori micromeccanici per queste applicazioni richiederà ulteriori ricerche. Ma l'attuale studio rappresenta già una pietra miliare nella valutazione della capacità dei risonatori micromeccanici di funzionare con precisione alle alte frequenze che saranno necessarie per una comunicazione efficace e per l'informatica quantistica nel prossimo futuro», conclude il dottor Gorman.
Riferimenti:
(2) Jason J. Gorman
Descrizione foto: Utilizzando un interferometro ottico, catturano le vibrazioni su scala atomica di microrisonatori simili a quelli che si trovano nei telefoni cellulari. - Credit: National Institute of Standards and Technology (NIST).
Autore traduzione riassuntiva e adattamento linguistico: Edoardo Capuano / Articolo originale: Strobe Light for 5G: NIST Imaging System Spotlights the Tiny Mechanical Hearts at the Core of Every Cellphone