Physiker detektieren Funkwellen mit Licht

Nanomembranen sollen in Verbindung mit einer Laserabtastung schwächste Signale empfangen können.

Die Detektion von Funkwellen geringer Leistung ist ein allgegenwärtiges Problem unserer modernen Welt. Egal, ob es nun um ultrafeine bildgebende Verfahren in der Medizin, die Radioastronomie oder alltägliche Kommunikations- und Navigationsanwendungen geht – stets müssen Pegel detektiert werden, die noch vor wenigen Jahrzehnten kaum oder gar nicht nachweisbar waren.

Aus diesem Grund arbeiten Wissenschaftlergruppen in aller Welt an neuen Empfängern und setzten dabei auf moderne Materialien. Tolga Bagci von der Universität Kopenhagen hat nun zusammen mit Kollegen ein Gerät entwickelt, das ultraschwache Funkwellen auf eine ungewöhnliche Art empfangen kann. Die Signale werden zunächst in Lichtsignale umgewandelt, die sich dann mit handelsüblichen optischen Werkzeugen weiterleiten und analysieren lassen. "Unsere Arbeit stellt einen völlig neuen Ansatz für eine ultrarauscharme Detektion klassischer elektronischer Signale dar", so Bagci.

Das Grundprinzip des Verfahrens klingt einfach: Der Prototyp der Gruppe besteht aus einer dünnen Siliziumnitrid-Membran, die mit einer spiegelartigen Aluminiumschicht überzogen ist. Diese Nanomembran ist wiederum oberhalb einer Elektrode angebracht. So entsteht ein Kondensator, der selbst Teil eines LC-Schaltkreises ist, der Funkwellen auf seiner Resonanzfrequenz empfängt. Wenn das passiert, beginnt die Nanomembran, zu vibrieren. Diese Vibration wird von einem Laserstrahl erfasst, dessen optische Phasenveränderung sich dann mit Standardverfahren messen lässt..

Der Ansatz hat deutlich Vorteile gegenüber normalen Funkempfängern, deren Gesamtleistung von Störimpulsen, die durch Erwärmung entstehen, beeinträchtigt wird. Die einzige Möglichkeit, dies zu umgehen, ist eine bessere Kühlung, was die Geräte jedoch komplexer, schwerer und teurer macht. Der große Vorteil der Umwandlung der Funksignale in eine resonierende mechanische Vibration ist die Tatsache, dass Wärme keinen Einfluss auf diesen Prozess hat. Der Laser detektiert so Funksignale ohne jeden Störimpuls.

Die Zahlen, die Bagcis System leisten soll, sind beeindruckend. Die Empfindlichkeit bei Raumtemperatur soll bei 5 Picovolt pro (Hz)^1/2 bei einer Frequenz von 1 MHz liegen. Das entspricht dem, was bislang nur bei Tieftemperaturen mit flüssigem Helium möglich war.

Laut dem dänischen Team steht die Technik allerdings noch ganz am Anfang. Mit weiteren Optimierungen seien durchaus noch höhere Grade an Genauigkeit zu erzielen. Mögliche Anwendungsbereiche wären die Kernspintomographie, wo derzeit noch große gekühlte Verstärker notwendig sind, oder Deep-Space-Detektoren, mit denen Astronomen in den Weltraum horchen. "Hier benötigt man normalerweise auf Tieftemperaturen gebrachte Vorverstärker, die durch unser System ersetzt würden", sagt Bagci. Eines Tages könnte eine miniaturisierte Version der Technik selbst in Mobiltelefonen landen, hofft er. ()