NISTは、5G共振器をテストするためのストロボライトを作成します

すべての携帯電話の中には、1秒間に数十億回拍動する小さな人工心臓があります。これらのマイクロメカニカル共振器は、携帯電話の通信において重要な役割を果たします。これらの共振器は、電波の無線周波数の不協和音に支えられて、モバイルデバイス間で信号を送受信するための適切な周波数を選択します。これらの共振器の重要性が増すにつれて、科学者はデバイスが適切に機能していることを確認するための信頼性が高く効率的な方法を必要としています。これは、共振器が生成する音波を注意深く研究することによって最もよく達成されます。

現在、米国国立標準技術研究所（NIST）の研究者は、これらの音波を広範囲の周波数で画像化し、前例のない詳細でそれらの「映画」を作成するための機器を開発しました。研究者は、12ギガヘルツ（GHz、または1秒あたり数十億サイクル）の音響振動を測定し、それらの測定値を25 GHzに拡張して、5G通信および量子における潜在的に強力な将来のアプリケーションに必要な周波数範囲を提供できる可能性があります。情報。 5Gネットワ​​ークが無線通信を支配し、さらに小さな音波を生成するため、これらの音響振動を測定するという課題は増える可能性があります。

新しいNIST機器は、光干渉計と呼ばれるデバイスに依存することにより、動作中のこれらの波をキャプチャします。この干渉計の照明源は、通常はレーザー光の定常ビームであり、この場合、1秒間に5000万回パルスするレーザーであり、測定される振動よりも大幅に低速です。

レーザー干渉計は、異なる経路に沿って進むレーザー光の2つのパルスを比較します。 1つのパルスは、振動するマイクロメカニカル共振器にレーザー光を集束させる顕微鏡を通過し、反射して戻ります。もう1つのパルスは基準として機能し、その長さが最初のパルスの移動距離のマイクロメートル（100万分の1メートル）以内になるように継続的に調整されるパスに沿って移動します。 2つのパルスが出会うと、各パルスからの光波が重なり合い、干渉パターンが作成されます。これは、波が互いに打ち消し合う、または補強する一連の暗い縞と明るい縞です。後続のレーザーパルスが干渉計に入ると、マイクロレゾネーターが上下に振動するときに干渉パターンが変化します。フリンジのパターンの変化から、研究者はマイクロメカニカル共振器のレーザースポットの位置での振動の高さ（振幅）と位相を測定できます。

NISTの研究者であるJasonGormanと彼の同僚は、マイクロメカニカル共振器が振動する周波数よりも20〜250倍ゆっくりとパルスする参照レーザーを意図的に選択しました。この戦略により、レゾネーターを照らすレーザーパルスは、ストロボライトがナイトクラブのダンサーを遅くするように見えるのと同じように、事実上、音響振動を遅くすることができました。 NISTチームが使用する光検出器は、これらの低い周波数でノイズが少なく、はるかに正確に動作するため、GHz周波数で振動する音響振動をメガヘルツ（MHz、毎秒数百万サイクル）に変換する減速が重要です。

「より低い周波数に移動すると、マイクロ波周波数で通常見られる通信信号からの干渉が除去され、電気ノイズの低い光検出器を使用できるようになります」とゴーマン氏は述べています。

各パルスの持続時間はわずか120フェムト秒（数千億分の1秒）で、振動に関する非常に正確な瞬間ごとの情報を提供します。レーザーはマイクロメカニカル共振器全体をスキャンするため、振動の振幅と位相を振動デバイスの表面全体でサンプリングして、広範囲のマイクロ波周波数で高解像度の画像を生成できます。多くのサンプルで平均化されたこれらの測定値を組み合わせることにより、研究者はマイクロ共振器の振動モードの3次元ムービーを作成できます。この研究では、2種類の微小共振器を使用しました。 1つは12マイクロメートル（100万分の1メートル）×65マイクロメートルの寸法でした。もう1つは、一辺が75マイクロメートルで、人間の髪の毛の幅程度です。

画像や動画は、マイクロメカニカル共振器が期待どおりに動作しているかどうかを明らかにするだけでなく、音響エネルギーが共振器から漏れている場所などの問題のある領域を示すこともできます。リークにより、共振器の効率が低下し、量子音響システムの情報が失われます。問題のある領域を特定することにより、この技術は科学者に共振器の設計を改善するために必要な情報を提供します。