Un sensor convierte las ondas de radio más débiles en señales láser

Foto: METTE HST

MADRID, 5 Mar. (EUROPA PRESS) -

   Las ondas de radio se utilizan para muchas mediciones y aplicaciones, por ejemplo, en la comunicación con teléfonos móviles, escáneres de imágenes de resonancia magnética, experimentos científicos y observaciones cósmicas, pero el "ruido" en el detector del instrumento de medición limita el grado de sensibilidad y precisión de las mediciones. Ahora, investigadores del Instituto Niels Bohr de la Universidad de Copenhague, Dinamarca, han desarrollado un nuevo método en el que puedan evitar el ruido por medio de luz láser.

   De esta forma, se puede lograr la máxima precisión en las mediciones, como recoge la revista 'Nature'. El "ruido" en el detector de un instrumento de medición se debe, ante todo, al calor, que hace que los átomos y los electrones se muevan de forma caótica, por lo que las mediciones se convierten en imprecisas.

   El método habitual para reducir el ruido en el detector del equipo de medición es enriarlo a entre 5 y 10 grados Kelvin, lo que corresponde a aproximadamente menos de 265 grados C, algo que resulta caro y no permite medir las señales más débiles.

   "Hemos desarrollado un detector que no necesita ser enfriado, pero que puede funcionar a temperatura ambiente y, sin embargo, casi no tiene ruido térmico. El único ruido que sigue habiendo es fundamentalmente el llamado ruido cuántico, que son las fluctuaciones mínimas de la luz del láser en sí", explica Eugene Polzik, profesor y director del Centro de Investigación Quantop en el Instituto Niels Bohr en la Universidad de Copenhague.

   El método, llamado optomecánica, es una interacción compleja entre un movimiento mecánico y las radiaciones ópticas. El experimento consiste en una antena, que recoge las ondas de radio, un condensador y un haz de láser. La antena capta las ondas de radio y transfiere la señal al condensador, que es leído por el haz de láser, es decir, que el condensador y el haz de láser constituyen el detector, pero el condensador no es un par ordinario de placas de metal.

   "En nuestro sistema, una placa de metal en el condensador se sustituye por una membrana gruesa de 50 nanómetros (un nanómetro es la millonésima parte de un milímetro). Es esta nanomembrana la que nos permite hacer mediciones ultrasensibles sin enfriar el sistema", explica el profesor asistente de investigación Albert Schliesser, coordinador de los experimentos en el laboratorio óptico-mecánico Quantop en el Instituto Niels Bohr.

   Este experto explica que el condensador está formado por tres capas. En la parte inferior es un chip de vidrio con una capa de aluminio, donde los polos son positivo y negativo. La nanomembrana en sí está hecho de nitrato de silicio y está recubierta con una capa delgada de aluminio, ya que tiene que haber una sustancia metálica para interactuar mejor con el campo eléctrico. El chip y la membrana están separados sólo por un micrómetro.

   La señal de onda de radio produce fluctuaciones en la membrana y ahora se puede leer la señal óptica con un rayo láser, lo que se hace a través de una compleja interacción entre las fluctuaciones mecánicas de la membrana, las propiedades eléctricas de la capa metálica y la luz que está golpeando la membrana.

   El método fue desarrollado por Eugene Polzik y Albert Schliesser en colaboración con los grupos teóricos de óptica cuántica del Instituto Niels Bohr y el 'Joint Quantum Institute', en Maryland, Estados Unidos, y el chip electromecánico fue diseñado mediante en Nanotech DTU, en Dinamarca.

   Este sistema optomecánico tiene tres tipos de ruido: ruido eléctrico en la antena, ruido térmico mecánico en la membrana y ruido cuántico de la luz. El ruido eléctrico es de carácter técnico y se debe principalmente a las alteraciones del medio ambiente.

   "La solución ha sido encontrar la manera correcta para proteger el experimento", dice Albert Schliesser, quien explica que todo se lleva a cabo a temperatura ambiente normal y, sin embargo, casi no hay "ruido térmico" mecánico.

   "Esto es sorprendente y es debido a varios factores, incluyendo las extremadamente altas propiedades mecánicas de la membrana y que la membrana se separa de los alrededores por estar encerrada en una cámara de vacío de forma que responde como si se hubiera enfriado a dos grados Kelvin (menos 271 ºC)", matiza.

   La luz láser no tiene casi nada de ruido, ya que todos sus fotones son idénticos, de forma que las propiedades especiales de la nanomembrana están plenamente explotadas. "Esta membrana es un muy buen oscilador y es por ello que es tan ultrasensible. A temperatura ambiente, funciona tan eficazmente como si se enfriara hasta menos 271 ºC y estamos trabajando para conseguirlo aún más a menos 273 ºC, que es el mínimo absoluto", relata Eugene Polzik.

   A su juicio, es una gran ventaja utilizar la detección óptica, ya que en lugar de utilizar cables de cobre ordinarios para transmitir la señal, puede usar cables de fibra óptica, en los que no hay pérdida de energía. Sus creadores ven un gran potencial en este nuevo método muy sensible, tanto en equipos para tratamiento médico como para observaciones en el espacio.

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