«Феноменальная механическая добротность» Юджин Ползик об оптическом микрофоне и его уникальных свойствах

Международная группа исследователей под руководством физика Юджина Ползика создала в Институте Нильса Бора (подразделение Копенгагенского университета) уникальное устройство, получившее название «оптический микрофон». По сути это особый сенсор, который позволяет превращать радиосигналы в оптические, причем делать это с минимальными потерями. Главное, впрочем, заключается в том, что оптический микрофон в перспективе позволяет создавать усилители радиосигнала, которые почти не вносят тепловых помех в сигнал — если быть точным, уровень помех соответствует обычному усилителю, охлажденному до нескольких кельвинов. Статья исследователей появилась в журнале Nature в начале марта.

«Лента.ру» побеседовала с самим Юджином Ползиком. Он рассказал об устройстве прибора и принципах его функционирования. Ползик пояснил, что в основе полученных группой исследователей результатов лежит высокая добротность детектора, которой удалось добиться благодаря нескольким оригинальным техническим решениям. В заключение он назвал проблемы, которые стоят на пути внедрения технологии в массовое производство.

«Лента.ру»: Юджин, расскажите, пожалуйста, про оптический микрофон.

Юджин Ползик: Для начала я расскажу о задаче, которую этот прибор позволяет решать. Сейчас вся беспроводная связь работает на радио- и микроволнах. Это справедливо для самого широкого класса приборов, от мобильников до телескопов, наблюдающих за звездами. С другой стороны, есть проводная связь — тот же интернет, — которая в основном использует световые сигналы. Они могут проходить по оптоволокну десятки километров без потерь, гораздо более эффективно, чем микроволны или радиоволны. Поэтому имеется вполне практическая задача: нужно эффективно превращать радиосигналы в оптические и наоборот.

Сейчас это происходит так: радиосигнал (или микроволновый) преобразуется в приемнике в электрический. Затем он усиливается, обрабатывается и только затем превращается в оптический. Самое слабое место в этой схеме — усиление. Дело в том, что минимальная чувствительность такого устройства зависит от входных шумов: прибор не может зарегистрировать сигнал, который значительно слабее, чем шум, производимый самим прибором. Источником этого шума являются разного рода флуктуации, например, электронов.

Юджин Ползик, Профессор института Нильса Бора, Университет Копенгагена (Дания), член исполнительного комитета Российского квантового центра

Это обычный белый шум или какой-то другой?

На практике, конечно, он не совсем белый. Наши же приборы, как правило, имеют некую резонансную полосу, так что сигнал и шум преобразуются в эту полосу. Но в теории, для простоты, можно считать, что это белый тепловой шум. Человечество за последние 50-60 лет прошло совершенно гигантский путь в направлении улучшения всей этой усиливающей электроники: и операционные усилители маленькие, и интегральные схемки — все эти приборы обладают совершенно потрясающими качествами. За 50 лет их улучшили на много-много порядков, но, тем не менее, они имеют совершенно конечный входной шум, и этот шум представляет собой предел чувствительности.

Это какой-то фундаментальный, теоретический предел?

В общем, да, но и теоретические пределы бывают разные. Думаю, тут в подробности вдаваться не стоит. Главное, что нужно понимать, вот что: самый простой способ уменьшить этот шум — просто все охладить. Скажем, засунуть прибор в жидкий гелий, пусть себе там работает. На самом деле на практике так и делается — скажем, усилители на космических телескопах, работающих в микроволновом диапазоне, так и охлаждают. Например, телескоп «Планк», который занимается наблюдением за реликтовым излучением. Точнее, занимался, сейчас у него кончился гелий, поэтому тепловой шум не дает регистрировать излучение. Или, когда работает функциональный МРТ, усилители там тоже приходится охлаждать — уж больно слабый отклик от молекул идет.

Теперь, что сделали мы. Мы предложили схему прибора, который переводит одни колебания в другие без усилителя. Что это за прибор? По сути, антенна, которая регистрирует это радиоизлучение, присоединяется к конденсатору (это делается, чтобы сделать резонансный отклик системы — в антенне поле радиоволны наводит электрический ток, превращающийся в колебания тока в конденсаторе, и все это считывается). Конденсатор не простой: одна пластина этого конденсатора — это исключительно высокого качества наномембрана. Ее толщина — около ста нанометров, а площадь — примерно половина квадратного миллиметра. Выполнена она из нитрида кремния с металлическим напылением сверху (можно сверху положить слой углерода толщиной в один атом, но с металлом проще).

Мембрана имеет одно просто потрясающее свойство — у нее феноменальная механическая добротность. Добротность — это свойство механической системы как можно дольше сохранять сообщенную ей энергию. Так вот, если я по такой мембране щелкну, скажем, один раз, то она совершит несколько миллионов колебаний, прежде чем затухнет. Представляете? Несколько миллионов!

Группа авторов работы и экспериментальная установка

А чем обусловлена такая добротность?

Добротность, как правило, ограничивается или дефектами, на которых энергия может рассеяться, или контактами с окружающей средой. Если материал очень чистый и контакт с окружающей средой маленький, то добротность оказывается высокой.

Здесь выполняются оба условия. Мембрана делается таким образом: рамочка такая, толщиной 300 микрон, сделанная из чистого кремния, а внизу у нее слой нитрата кремния. С помощью микрофабрикации в ней выедается кратер, донышко которого оказывается толщиной всего около 100 нанометров. В конденсаторе мембрана ставится на стеклянную подложку на крошечных колоннах высотой всего один микрон. Граница рамки — вот и весь контакт с окружающей средой.

Надо сказать, что свойства мембраны мы открыли случайно. Изначально они (только без кратера) использовались как окошки для рентгеновских установок. А потом выяснилось, что во всей этой оптомеханической науке они очень хороши, и теперь мы их изготовляем сами.

Так как этот ваш оптический микрофон конкретно работает?

Когда радиоволна приходит и мембранка начинает колебаться, то мы на эту мембрану светим лазером. Свет от мембраны отражается, приобретая модуляцию в соответствии с колебаниями мембраны (фаза лазерного излучения меняется в зависимости от положения мембраны). Таким образом, мы с помощью мембраны преобразуем радиосигнал в свет.

Оптический микрофон помещают в вакуумную камеру

Фото: Ola Jakup Joensen / NBI

Для того чтобы эта связь была хорошей, мы достигаем сильного взаимодействия между колебаниями заряда и механическим колебанием мембраны. По определению, это такое взаимодействие, когда обмен энергии между ними происходит быстрее, чем диссипация энергии из каждого из этих осцилляторов в окружающую среду. И для того чтобы этого сильного взаимодействия достичь, мы добавляем еще дополнительное напряжение к этому конденсатору, но это уже совсем технические детали.

Свет лазера — это, по определению, предмет практически нулевой температуры, потому что лазерный свет, его флуктуации ограничены исключительно квантовыми флуктуациями, то, что называется нулевыми колебаниями, или дробовым шумом. То есть тепловых флуктуаций в лазере нет. Для сравнения можно сказать, что лампы, которыми мы освещаем свое жилье, имеют в основном тепловой спектр. У излучения Солнца, например, есть температура, поскольку спектр излучения Солнца такой же, как у нагретого абсолютно черного тела (температура, соответственно, это температура, до которого это тело нагрето). Это просто чтобы вы понимали, насколько свет лазера отличается.

Таким образом, та часть нашего усилителя, которая связана с лазером, просто не имеет тепловых шумов, несмотря на то что все происходит при комнатной температуре.

Дальше: какой еще есть источник шумов? Вот мембрана сама: она-то находится при комнатной температуре, и даже если с ней ничего не делать, то она дрожит просто потому, что у нее есть комнатная температура. Дальше получается следующее: мембрана, конечно, дрожит, но дрожание происходит в исключительно узком интервале частот, потому что это такой добротный резонатор, что резонанс у него пара герц.

То есть, если мы теперь этот замечательный, хороший резонатор и мембрану сильно свяжем с нашей антенной, то собственные шумы мембраны будут глубоко-глубоко ниже, чем обычные тепловые шумы при комнатной температуре. То есть мембрана при сильной связи с антенной будет давать вклад в шумы этого усилителя в тысячи раз ниже, чем шум, соответствующий комнатной температуре.

Схема работы устройства

Получается, что наш прибор имеет два источника шума: шум лазера, который нулевой, то есть минимальный квантовый шум, и тепловые шумы мембраны, которые с помощью сильной связи с антенной могут быть подавлены в тысячу раз. То есть шум, который она вносит, соответствует тепловому шуму для температуры в 2 кельвина. Это при том, что установка не охлаждается! Да и мы показали, что в принципе это значение можно понизить до 100 милликельвинов.

И, таким образом, с помощью ваших мембран можно построить усилитель, который эквивалентен усилителю, работающему в охлажденном состоянии?

Абсолютно верно. Но это не сама мембрана, это сочетание мембраны и лазера. Такой оптомеханический усилитель для радиоволн — так это можно сформулировать.

Какой размер установки был у вас?

Размер установки, как всегда водится в лаборатории, пол квадратных метра на пол квадратных метра на еще пол квадратных метра. Сама мембрана — 500 на 500 микрон, ее рамочка — 5 миллиметров, и сам чип, на котором она сидит, тоже примерно такого же размера. Мы сейчас как раз работаем над интегрированием всей этой штуковины в одну цепь — чтобы можно было просто подключить к оптоволокну, по которому сигнал будет приходить и отраженным возвращаться назад. И мы полагаем, что, не считая антенны, которая может быть какая хотите, вся эта вещь будет влезать в пять на пять на пять миллиметров (а если надо, то и меньше).

Есть ли там какие-то подводные камни?

О, полно. Во-первых, сейчас эта штука работает на частоте 0,7 мегагерца. Это, конечно, неплохо, но не очень интересно вот почему: как очень часто бывает и в жизни, чем выше частота колебаний, тем меньше всяких дурацких шумов. И нам сейчас нужно построить новое поколение прибора, который бы работал, скажем, на ста мегагерцах или на двух гигагерцах — это уже области частот, интересные во многих приложениях: все коммуникации работают в этих частотах, томографы работают на них, в области астрофизики это интересно, когда они смотрят на микроволновое излучение космоса.

И понятно, как это сделать: нужно более или менее изменить внешнее напряжение, которое мы подаем.

Материалы по теме:

«Если нельзя измерить, то можно переслать»Юджин Ползик провел для «Ленты.ру» ликбез по квантовой телепортации18 июля 2013

То есть теоретически это просчитано?

Да, теоретически это должно работать. Да и практически должно: мы не развивали нашу технологию, а она уже получилась конкурентоспособной (в смысле с существующей электроникой). Так что есть надежда, что все не ограничится просто статьей в Nature. Кстати, в Российском квантовом центре тоже ведутся исследования возможности конверсии микроволнового сигнала в оптический.

Сколько стоит сейчас ваша установка?

Я вам так скажу: первый транзистор, который изготовили 70 лет назад, на наши деньги стоил миллион долларов, если не больше. Сегодня транзистор стоит примерно одну миллионную часть доллара, потому что на доллар можно купить микросхему, в которой этих транзисторов будет десять тысяч. Поэтому вопрос цены — это вопрос того, найдутся ли какие-то приложения. Ничего сверхъестественного здесь нет.

Беседовал Андрей Коняев