Радиоволны научились «ловить» с помощью дрожащей наноантенны





Физики из Дании и США разработали антенну, обладающую рекордной чувствительностью. В основе изобретения лежит принцип преобразования электромагнитных волн в механические колебания подвижной пластины конденсатора в колебательном контуре. Подробности со ссылкой на препринт исследователей приводит MIT Technology Review.

Исследователи использовали подвижную мембрану из нитрида кремния и алюминиевой фольги в качестве одной из пластин конденсатора в колебательном контуре. Когда колебательный контур встречает электромагнитную волну, в нем возникает электрический ток, а на пластину конденсатора начинают действовать электростатические силы. Эти силы вызывают ее отклонение, которое регистрируется по отклонению лазерного луча.

Разработка ученых, как отмечается в сообщении, позволяет достичь при помощи компактного и работающего при комнатной температуре устройства той же чувствительности, которой обладают сложные криогенные системы. Исследователи сообщают о том, что экспериментальный прибор продемонстрировал хорошие результаты на частоте в один мегагерц и подчеркивают возможность дальнейшей оптимизации.

Повышение чувствительности антенн требуется в первую очередь научным приборам: радиотелескопам и спектрометрам, использующим эффект электронного парамагнитного или ядерного магнитного резонанса. В настоящее время для создания таких приборов применяют громоздкие, сложные и дорогие антенны, охлаждаемые жидким гелием.
Интересно мнение форумчан по данной теме. Может есть спецы на форуме которые прояснят это действительно достойное внимания изобретение, или очередное творение типа ртутной или ЕН антенны?

ключевое слово здесь,как думаю, "что экспериментальный прибор продемонстрировал хорошие результаты на частоте в один мегагерц") отсюда и пляшем) для наших нужд, видимо, не очень подойдет) да и размер там будет, как думаю, с два холодильника, а уж потребление... судя по всему, еще далеко до бытового юзания)

http://arxiv.org/abs/1307.3467 оригинальное сообщение

Исследователи использовали подвижную мембрану из нитрида кремния и алюминиевой фольги в качестве одной из пластин конденсатора в колебательном контуре
полоса пропускания совсем узкая

полоса пропускания совсем узкая
Возможно контур можно перестраивать...

Все это хорошо, но в любительских условиях такую антенну не сделать, а серийные дешевые и доступные китайские образцы появятся лет через 50.
Понижать чувствительность антенны в наших больших индустриальных шумах вряд ли есть смысл, разве что в космосе... А достаточной чувствительности по полю на единицах мегагерц можно добиться компактной резонансной ферритовой антенной и приемником с низким коэффициентом шума.

Будем надеется, что китайцы окажутся как всегда расторопны и лет так через пяток наладят вонючие но нано-антенны.

На каждую частоту своя антенна с вибратором. Сотня антенн перекроет полосу в 1 мегагерц. Видел похожую конструкцию в 1980 году.

Насколько я понял, в оригинальном сообщении идет речь не об антенне, а о малопотерьном преобразователе радиочастот в оптический диапазон с целью последующей передачи по оптическим каналам.

Новость еще марта месяца, но не суть. Очень перспективная разработка, которая будет востребована в радиоастрономии, радиолокации и просто в быту. Сменят материал, используют уф лазер, отработают технологию - там такие перспективы раскрываются... Удивлен, что эта новость засветилась на нашем форуме :)

Очень перспективная разработка,
А можно услышать поподробней о практическом применении этого изобретения? У меня сразу возникли ассоциации с когерером,действующим на подобном принципе. Только потом,чуть позже,к когереру присоединили кусок проволоки и вот его-то и назвали антенной.

Похоже если я не путаю когерер это колбочка с мет. опилками которые меняют своё сопротивление при наведении в куске провода-антенны электромагнитной энергии? Аналогия как говориться прослеживается, но там регистрировались искровые разряды катушки Румкорфа, а здесь обещают супер чувствительность, если конечно я понял правильно.

Всё верно-это та самая колбочка. Только радиоволнам ведь всё-равно,породила ли их катушка Румкорфа или трансивер FT5000DX.
Повышение чувствительности антенн
Одна эта фраза уже мне режет ухо. Я слышал про чувствительность приёмников,а вот такой параметр как чувствительность антенны слышу впервые. То что ртутные антенны способны высасывать из пространства радиоволны и отнимать их у несчастных телезрителей-знает уже каждый форумчанин. Может это ребрэндинг ртутных антенн?)

параметр как чувствительность антенны слышу впервые.
Извиняюсь, не правильно высказался. Хотел сказать что вырастет (может быть) чувствительность и селективность приемника за счет того что видимо даже ничтожные колебания пластины контура будут отклонять луч лазера и.т.д. По поводу ребрэндинга ртутных антенн, то может и так время покажет.Только радиоволнам ведь всё-равно,породила ли их катушка Румкорфа или трансивер FT5000DX.
Не совсем так, эта самая колбочка скорее всего никак не отреагирует на FT5000 если только в этот трансивер не ударит молния. Хотя может я и ошибаюсь.

Конденсатор поверхностных акустических волн. Принцип ПАВ стар как мир.

Сдвинуть электрон в вакууме лампы например или в кристалле полупроводника тяжелее, чем механически помять пластину???

Triazalon
Принцип ПАВ стар как мир , но технология высокоточных измерений параметров этих колебаний с появлением лазеров с малой длиной волны вполне могут привести к расширению возможностей ранее сказанным направлениям.

Инсон
Извиняюсь, не правильно высказался. Хотел сказать что вырастет...
А как эта фраза: Эти силы вызывают ее отклонение, которое регистрируется по отклонению лазерного луча.
?
По моему это уже (антенна/приемник) прямого усиления, т.к. которое регистрируется по отклонению лазерного луча. остается всего усилить да детект/демод.

А фраза: пластины конденсатора в колебательном контуре. уже должна наводить на мысли о узкополосности. Т.е. девайс на одну частоту.

Инсон
это действительно достойное внимания изобретение, или очередное творение типа ртутной или ЕН антенны?

Радиал
А можно услышать поподробней о практическом применении этого изобретения?

Все подробности изложены в исходной англоязычной статье, на которую дал ссылку renice:
http://arxiv.org/abs/1307.3467 (там надо кликнуть справа надпись PDF, и тогда скачается большая статья самих авторов). Выше brokenpot и Seapass совершенно верно оценили содержание этой работы.

То есть, это вовсе не такое изобретение, которое радиолюбители сразу же должны пытаться пришпандорить к своим приёмникам :)) Речь идёт всего лишь об одном из десятков (или даже из сотен) исследований по совершенствованию элементной базы для систем обработки и передачи информации, которые постоянно ведутся во всех развитых странах. Сами авторы в своей статье приводят около 40 ссылок на сопутствующие работы; в частности, у них есть ссылка [2]: на подробный обзор по опто-механическим резонаторам (Cavity Optomechanics) http://arxiv.org/abs/1303.0733 . А их работа 2011 года [8], которую они считают особенно важной, доступна здесь: http://arxiv.org/abs/1108.2035 . Основная цель таких исследований в перспективе - создание оптических компьютеров, средств связи, измерительной техники, в которых элементы чипов будут иметь максимальное быстродействие и минимальные размеры, допускаемые законами квантовой физики. Никакого отношения к радиолюбительским хохмам типа "ртутной" или "ЕН-антенн" эта современная наука не имеет.

Конечно, новости науки не вписываются в тематику радиосканнера.ру. Но всё это очень интересно; хорошо бы такие темы разбирать в Клубе, и почаще бы; там уже есть ветки про науку... В порядке ответа на услышать поподробней ниже помещаю перевод аннотации к основной статье и несколько схемок:

Вот упомянутый перевод аннотации:

<< "Оптическое обнаружение (детектирование) радиоволн с помощью наномеханического преобразователя."
(Авторы: T. Bagci, A. Simonsen, S. Schmid, L. G. Villanueva, E. Zeuthen, J. Appel, J. M. Taylor, A. Sorensen, K. Usami, A. Schliesser, E. S. Polzik.)

Задача снижения потерь при передаче и высокочувствительном приёме слабых радиочастотных и микроволновых сигналов имеет решающее значение в разнообразных областях, таких как радиоастрономия, медицинская визуализация, навигация, коммуникация, в том числе и коммуникация с использованием квантовых состояний.

Эффективное преобразование ("конверсия вверх") РЧ-сигналов в оптические частоты позволяет передавать их по оптическому волокну вместо медных проводов. Это может значительно снизить потери, и открыть доступ к применению методов квантовой оптики, которые допускают обнаружение слабых сигналов вплоть до квантового предела чувствительности. Исследования оптомеханических резонаторов [1, 2] ранее показали, что наномеханические осцилляторы могут достаточно сильно взаимодействовать как с микроволновым излучением [3-5], так и с оптическими полями [6, 7]. Система, которая объединит в себе обе эти функции, будет перспективной в качестве промежуточного звена в каскаде преобразования "радиосигнал --> оптический сигнал".

В этой статье мы демонстрируем такой опто-электро-механический преобразователь, основанный на идее из недавней работы [8] (2011 г.) о применении высокодобротной (high-Q) наномембраны.

Достаточно постоянного напряжения смещения Vdc < 10 В для того, чтобы создать сильную связь [4, 6, 7] между колебаниями напряжения в радио-частотном резонансном LC-контуре и колебаниями мембраны, которая одновременно связана со светом, отражающимся от её металлизированной поверхности. Здесь электрический контур выступает в качестве приёмной антенны; а напряжение сигналов, которое в нём индуцируется, обнаруживается через фазовый сдвиг оптического сигнала, причём на квантовом пределе чувствительности. Соответствующее напряжение модуляции оптического сигнала лежит в мкВ-диапазоне, т.е. оно на несколько порядков ниже, чем у стандартных оптических модуляторов.

Шум, привнесённый механическим интерфейсом, подавлен за счёт большого значения параметра электро-механической кооперативности Cem = 6800 и характеризуется температурой Tnoise = Tm/Cem = 40 милликельвин. Здесь Tm - комнатная температура, при которой находится весь прибор. Это соответствует пределу чувствительности -210 dBm/Гц в узкой полосе частот около 1 МГц. В нашей работе предложен новый подход к оптическому детектированию с низким уровнем шума классических электронных сигналов, и создана основа для когерентной конверсии низкочастотных квантовых сигналов в оптический домен [8-12]. >>

Схема преобразователя (обратите внимание, он помещается в вакуумируемую камеру):

Увеличить

Схема экспериментальной измерительной установки:

Увеличить

А это пояснение принципа фазовой модуляции оптического сигнала вследствие механических колебаний резонатора; из статьи 2008 года по ссылке [1] (Science vol. 321, pp.1172–1176 (2008))

Увеличить

ПАВ это прежде всего пьезоэффект в поверхностном слое керамики. Лазером возможно "считать" волны с поверхности любого ПАВ фильтра или резонатора. А пластинки там разные в конденсаторе это удобная наглядная модель для исследования. Готовое изделие в приёмнике будет иметь совершенно иное устройство.