À l’intérieur de chaque téléphone portable se trouve un petit cœur mécanique, battant plusieurs milliards de fois par seconde. Ces résonateurs micromécaniques jouent un rôle essentiel dans la communication cellulaire. Secoués par la cacophonie des radiofréquences sur les ondes, ces résonateurs sélectionnent juste les bonnes fréquences pour transmettre et recevoir des signaux entre les appareils mobiles.

Avec l’importance croissante de ces résonateurs, les scientifiques ont besoin d’un moyen fiable et efficace pour s’assurer que les appareils fonctionnent correctement. Le mieux est d’y parvenir en étudiant attentivement les ondes acoustiques que génèrent les résonateurs.

Maintenant, des chercheurs du National Institute of Standards and Technology (NIST) et leurs collègues ont développé un instrument pour imager ces ondes acoustiques sur une large gamme de fréquences et en produire des « films » avec des détails sans précédent.

Les chercheurs ont mesuré des vibrations acoustiques aussi rapides que 12 gigahertz (GHz, ou des milliards de cycles par seconde) et pourraient être en mesure d’étendre ces mesures à 25 GHz, fournissant le nécessaire la fréquence couverture pour les communications 5G ainsi que pour les futures applications potentiellement puissantes dans informations quantiques.

Le défi de mesurer ces vibrations acoustiques est susceptible d’augmenter à mesure que les réseaux 5G dominent les communications sans fil, générant des ondes acoustiques encore plus petites.

Le nouvel instrument du NIST capture ces ondes en action en s’appuyant sur un dispositif appelé interféromètre optique. La source d’éclairage de cet interféromètre, habituellement un faisceau constant de laser lumière, est dans ce cas un laser qui pulse 50 millions de fois par seconde, ce qui est nettement plus lent que les vibrations mesurées.

L’interféromètre laser compare deux impulsions de lumière laser qui se déplacent le long de chemins différents. Un impulsion se déplace à travers un microscope qui focalise lumière laser sur un résonateur micromécanique vibrant et est ensuite réfléchie. L’autre impulsion sert de référence, se déplaçant le long d’un chemin qui est continuellement ajusté de sorte que sa longueur soit à moins d’un micromètre (un millionième de mètre) de la distance parcourue par la première impulsion.

Lorsque les deux impulsions se rencontrent, les ondes lumineuses de chaque impulsion se chevauchent, créant un motif d’interférence – un ensemble de franges sombres et claires où les ondes s’annulent ou se renforcent mutuellement. Lorsque les impulsions laser suivantes entrent dans l’interféromètre, le modèle d’interférence change lorsque le microrésonateur vibre de haut en bas. À partir du motif changeant des franges, les chercheurs peuvent mesurer la hauteur (amplitude) et la phase des vibrations à l’emplacement de la tache laser sur le résonateur micromécanique.

Le chercheur du NIST Jason Gorman et ses collègues ont délibérément choisi un laser de référence qui pulse entre 20 et 250 fois plus lentement que la fréquence à laquelle le résonateur micromécanique vibre. Cette stratégie a permis aux impulsions laser éclairant le résonateur de ralentir les vibrations acoustiques, de la même manière qu’une lumière stroboscopique semble ralentir les danseurs dans une boîte de nuit.

Le ralentissement, qui convertit les vibrations acoustiques qui oscillent aux fréquences GHz en mégahertz (MHz, millions de cycles par seconde), est important car les détecteurs de lumière utilisés par l’équipe du NIST fonctionnent beaucoup plus précisément, avec moins de bruit, à ces fréquences plus basses.

« Le passage à des fréquences plus basses supprime les interférences des signaux de communication que l’on trouve généralement aux fréquences micro-ondes et nous permet d’utiliser des photodétecteurs avec un bruit électrique plus faible », a déclaré Gorman.

Chaque impulsion ne dure que 120 femtosecondes (quadrillionièmes de seconde), fournissant des informations instantanées très précises sur les vibrations. Le laser balaie le résonateur micromécanique afin que l’amplitude et la phase des vibrations puissent être échantillonnées sur toute la surface du dispositif vibrant, produisant images haute résolution sur une large gamme de fréquences micro-ondes.

En combinant ces mesures, moyennées sur de nombreux échantillons, les chercheurs peuvent créer des films tridimensionnels des modes vibrationnels d’un microrésonateur. Deux types de microrésonateurs ont été utilisés dans l’étude ; l’un avait des dimensions de 12 micromètres (millionièmes de mètre) sur 65 micromètres ; l’autre mesurait 75 micromètres de côté, soit environ la largeur d’un cheveu humain.

Non seulement les images et les films peuvent révéler si un résonateur micromécanique fonctionne comme prévu, mais ils peuvent également indiquer les zones problématiques, telles que les endroits où l’énergie acoustique s’échappe du résonateur. Les fuites rendent les résonateurs moins efficaces et entraînent une perte d’informations dans les systèmes acoustiques quantiques. En identifiant les zones problématiques, la technique donne aux scientifiques les informations dont ils ont besoin pour améliorer résonateur conception.

Dans l’édition du 4 février 2022 de Communication Nature, les chercheurs ont rapporté qu’ils pouvaient imager des vibrations acoustiques d’une amplitude (hauteur) aussi petite que 55 femtomètres (quadrillionièmes de mètre), soit environ un cinq centième du diamètre d’un atome d’hydrogène.

Durant la dernière décennie, les physiciens ont proposé que les résonateurs micromécaniques dans cette gamme de fréquences peuvent également servir à stocker des informations quantiques fragiles et à transférer les données d’une partie d’un ordinateur quantique à une autre.

La mise en place d’un système d’imagerie capable de mesurer en routine les résonateurs micromécaniques pour ces applications nécessitera des recherches supplémentaires. Mais l’étude actuelle est déjà une étape importante dans l’évaluation de la capacité des résonateurs micromécaniques à fonctionner avec précision aux hautes fréquences qui seront nécessaires pour une communication efficace et pour l’informatique quantique dans un avenir proche, a déclaré Gorman.

Cette histoire est republiée avec l’aimable autorisation du NIST. Lire l’histoire originale ici.