Dentro de cada celular estãoum pequeno coração meca¢nico, batendo vários bilhaµes de vezes por segundo. Esses ressonadores micromeca¢nicos desempenham um papel essencial na comunicação do celular. Atingidos pela cacofonia de frequências de ra¡dio nas ondas de ra¡dio, esses ressonadores selecionam as frequências certas para transmitir e receber sinais entre dispositivos ma³veis.

Com a crescente importa¢ncia desses ressonadores, os cientistas precisam de uma maneira confia¡vel e eficiente de garantir que os dispositivos estejam funcionando corretamente. Isso éfeito melhor estudando cuidadosamente as ondas acaºsticas que os ressonadores geram.

Agora, pesquisadores do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (NIST) e seus colegas desenvolveram um instrumento para criar imagens dessas ondas acaºsticas em uma ampla gama de frequências e produzir "filmes" delas com detalhes sem precedentes.

Os pesquisadores mediram vibrações acaºsticas tão rápidas quanto 12 gigahertz (GHz, ou bilhaµes de ciclos por segundo) e podem estender essas medições para 25 GHz, fornecendo a cobertura de frequência necessa¡ria para comunicações 5G, bem como para aplicações futuras potencialmente poderosas em quantum . informações .

O desafio de medir essas vibrações acaºsticas provavelmente aumentara¡ a  medida que as redes 5G dominarem as comunicações sem fio, gerando ondas acaºsticas ainda menores.

O novo instrumento NIST captura essas ondas em ação, contando com um dispositivo conhecido como interfera´metro a³ptico. A fonte de iluminação para este interfera´metro, normalmente um feixe constante de luz laser , éneste caso um laser que pulsa 50 milhões de vezes por segundo, o que ésignificativamente mais lento do que as vibrações que estãosendo medidas.

O interfera´metro a laser compara dois pulsos de luz laser que percorrem caminhos diferentes. Um pulso viaja atravanãs de um microsca³pio que focaliza a luz do laser em um ressonador micromeca¢nico vibrante e éentão refletido de volta. O outro pulso atua como referaªncia, percorrendo um caminho que écontinuamente ajustado de modo que seu comprimento esteja dentro de um micra´metro (um milionanãsimo de metro) da distância percorrida pelo primeiro pulso.

Quando os dois pulsos se encontram, as ondas de luz de cada pulso se sobrepaµem, criando um padrãode interferaªncia osum conjunto de franjas escuras e claras onde as ondas se cancelam ou reforçam uma a  outra. Amedida que os pulsos de laser subsequentes entram no interfera´metro, o padrãode interferaªncia muda a  medida que o microrressonador vibra para cima e para baixo. A partir do padrãode mudança das franjas, os pesquisadores podem medir a altura (amplitude) e a fase das vibrações no local do ponto do laser no ressonador micromeca¢nico.

O pesquisador do NIST Jason Gorman e seus colegas escolheram deliberadamente um laser de referaªncia que pulsa entre 20 e 250 vezes mais lentamente do que a frequência na qual o ressonador micromeca¢nico vibra. Essa estratanãgia permitiu que os pulsos de laser iluminando o ressonador, de fato, diminua­ssem as vibrações acaºsticas, semelhante a  maneira como uma luz estrobosca³pica parece desacelerar os dançarinos em uma boate.

A desaceleração, que converte as vibrações acaºsticas que oscilam nas frequências de GHz em megahertz (MHz, milhões de ciclos por segundo), éimportante porque os detectores de luz usados ​​pela equipe do NIST operam com muito mais precisão, com menos rua­do, nessas frequências mais baixas.

“Mudar para frequências mais baixas remove a interferaªncia de sinais de comunicação normalmente encontrados em frequências de micro-ondas e nos permite usar fotodetectores com menor rua­do elanãtrico”, disse Gorman.

Cada pulso dura apenas 120 femtossegundos (quadrilionanãsimos de segundo), fornecendo informações de momento a momento altamente precisas sobre as vibrações. O laser varre o ressonador micromeca¢nico para que a amplitude e a fase das vibrações possam ser amostradas em toda asuperfÍcie do dispositivo vibrata³rio, produzindo imagens de alta resolução em uma ampla faixa de frequências de micro-ondas.

Ao combinar essas medidas, calculadas em várias amostras, os pesquisadores podem criar filmes tridimensionais dos modos vibracionais de um microrressonador. Dois tipos de microressonadores foram usados ​​no estudo; um tinhaDimensões de 12 micra´metros (milionanãsimos de metro) por 65 micra´metros; o outro media 75 micra´metros de lado — aproximadamente a largura de um fio de cabelo humano.

As imagens e os filmes podem não apenas revelar se um ressonador micromeca¢nico estãooperando conforme o esperado, mas também podem indicar áreas problema¡ticas, como locais onde a energia acústica estãovazando do ressonador. Os vazamentos tornam os ressonadores menos eficientes e levam a  perda de informações em sistemas acaºsticos qua¢nticos. Ao identificar áreas problema¡ticas, a técnica fornece aos cientistas as informações necessa¡rias para melhorar o projeto do ressonador .

Na edição de 4 de fevereiro de 2022 da Nature Communications, os pesquisadores relataram que podiam imaginar vibrações acaºsticas com amplitude (altura) tão pequena quanto 55 femta´metros (quadrilionanãsimos de metro), cerca de um e cinco centanãsimos do dia¢metro de um a¡tomo de hidrogaªnio.

Na última década, os fa­sicos sugeriram que os ressonadores micromeca¢nicos nessa faixa de frequência também podem servir para armazenar informações qua¢nticas fra¡geis e transferir os dados de uma parte de um computador qua¢ntico para outra.

Estabelecer um sistema de imagem que possa medir rotineiramente ressonadores micromeca¢nicos para essas aplicações exigira¡ mais pesquisas. Mas o estudo atual já éum marco na avaliação da capacidade dos ressonadores micromeca¢nicos de atuar com precisão nas altas frequências que sera£o necessa¡rias para uma comunicação eficaz e para a computação qua¢ntica em um futuro pra³ximo, disse Gorman.