Danskere opsnapper ultrasvage radiosignaler
Danske forskere har udviklet en ny teknologi, som kan opfange selv yderst svage radiosignaler. Håbet er, at teknologien kan forbedre skannere på hospitalet, opfange stråling fra rummet og bane vejen for kvantecomputere.

Forskere fra danske universiteter har udviklet en helt ny og effektiv måde at opsnappe radiosignaler. Forskernes teknologi kaldes opto-mekanik og gør blandt andet brug af laserlys. (Illustration: Københavns Universitet)

Forskere fra danske universiteter har udviklet en helt ny og effektiv måde at opsnappe radiosignaler. Forskernes teknologi kaldes opto-mekanik og gør blandt andet brug af laserlys. (Illustration: Københavns Universitet)

Selvom du formentlig ikke tænker over det, er der radiobølger over alt omkring dig.

De sørger for at sende signaler mellem mobiltelefoner, trådløse internet, fjernsyn og radioer, og blandt forskere bruges radiosignaler til alt lige fra rumforskning til hospitalsskannere.

Nu har danske forskere udviklet en ny teknologi, som er i stand til at opfange langt svagere radiosignaler, end hvad der hidtil har været muligt.

»En stor del af den information, vi har omkring os, bliver transmitteret med radio- og mikrobølger. Vi har udviklet en ny og ekstremt følsom detektor til den slags bølger,« fortæller Eugene Polzik, som er fysikprofessor ved Niels Bohr Institutet på Københavns Universitet.

Han er hovedforfatter på den nye undersøgelse, som netop er publiceret i det højtansete videnskabelige tidsskrift Nature.

Forsker: Det er imponerende

På Aarhus Universitet er professor Michael Drewsen begejstret for den nyudviklede teknologi.

Han har ikke været en del af udviklingen, men efter at have læst undersøgelsen, mener han blandt andet, at teknologien vil kunne føre til forbedringer af hospitalernes MR-skannere og åbne nye muligheder inden for radioastronomi - en vigtig del af rumforskningen.

»Jeg er forbavset over, at de er nået så langt, at de kan lave målinger med så høj effektivitet. Det er imponerende,« siger professor Michael Drewsen fra Institut for Fysik og Astronomi på Aarhus Universitet.

Normalt forstyrrer varme-støj

Hidtil har det været svært at opsnappe meget svage radiobølger, fordi målingen af dem bliver forstyrret af 'støj'.

Støjen i apparaturet skyldes hovedsageligt varme, som får atomer og elektroner til at fare tilfældigt rundt.

Fakta

Når man skal opfange meget svage radiosignaler med en detektor, bliver målingerne forstyrret på grund af 'støj'.

'Støj' i et måleudstyrs detektor er først og fremmest varme, der får atomer og elektroner til at bevæge sig hurtigt, at målingerne bliver upræcise.

Den sædvanlige metode til at begrænse støj i måleudstyrets detektor er derfor at køle den ned til 5-10 Kelvingrader, hvilket svarer til ca. minus 265 grader C. Det er dyrt, men forskerne kan stadig ikke måle de svageste signaler.

Danske forskere har nu udviklet en detektor, der ikke behøver nedkøling, men som kan fungere ved stuetemperatur næsten uden varmestøj - ved stuetemperatur fungerer den så effektivt, som var den kølet ned til minus 271 grader C.

Kilde: Københavns Universitet

»Ved stuetemperatur bevæger alle atomer og elektroner sig tilfældigt rundt. Faktisk kan man sige, at det er denne her kaotiske bevægelse, som skaber temperaturen.«

»Men problemet er, at når elektronerne bevæger sig, så skaber de en støj, som begrænser muligheden for at opfange radiobølger. Man kan ikke detektere de radiobølger, som er svagere end støjen,« forklarer Eugene Polzik.

Med den nyudviklede teknologi er det imidlertid lykkedes Eugene Polziks forskergruppe at skabe en detektor, som stort set ikke bliver forstyrret af støjen – og det betyder, at den nye detektor pludselig kan opsnappe langt svagere radiobølger end hidtil.

Sådan virker en radio

For at forstå hvordan den nye detektor adskiller sig fra andre detektorer, skal vi imidlertid først se på, hvordan man normalt opfanger radiobølger.

Når eksempelvis en FM-radio skal opsnappe radiobølger, ryger bølgerne ind i et elektrisk kredsløb, hvor de i første omgang bliver forstærket - der skabes resonans.

Derefter bliver det forstærkede signal omformet til et andet elektrisk signal, og dette signal fortæller nu radioen, hvilke lyde den skal spille.

Kort fortalt består normale radiobølge-detektorer altså af et elektrisk kredsløb, som forstærker og omformer radiobølgerne til nye elektriske signaler.

Har opfundet et helt nyt princip

»Men vores detektor bruger et helt nyt princip. Vi bruger slet ikke en elektronisk forstærker, men i stedet ryger radiobølgerne ind på en membran,« forklarer Eugene Polzik.

Når radiobølgerne rammer membranen, begynder den at vibrere. Og det særlige er nu, at forskerne bruger et laserlys til at aflæse membranens vibrationer.

»Radiobølgerne får membranen til at bevæge sig – man kan sammenligne det lidt med en højtaler, som vibrerer. Og når vi så sender en laserstråle ind på højtaleren – altså membranen – bliver lyset reflekteret derfra. Men den reflekterede laserstråle er blevet ændret på grund af vibrationerne; ligesom hvis laserstrålen havde ramt et vibrerende spejl,« forklarer Eugene Polzik.

I den nye undersøgelse bruger forskerne bl.a. en membran til at opfange svage radiosignaler. Membranen består af silicium-nitrat, og den er belagt med et tyndt lag aluminium. Membranen er adskilt fra omgivelserne ved at være lukket inde i et vacuum-kammer, og på den måde reagerer den, som om den var kølet ned til minus 271 grader C. (Foto: Københavns Universitet)

Med andre ord omformer den nye teknologi altså radiobølgerne til laserlys-signaler.

Ekstremt præcist værktøj 

Det smarte ved at bruge laserlys og membraner til detektoren er blandt andet, at målingerne stort set ikke bliver forstyrret af varme og 'støj' fra omkringflyvende elektroner - ligesom det er tilfældet for almindelige radiobølge-detektorer. 

»Laseren er et ekstremt præcist værktøj til at aflæse vibrationen. Det er helt unikt, at de kan aflæse så svage radiosignaler med denne her metode.«

»Hvis man skulle opnå det samme resultat med en standard-detektor skulle man køle den helt ned til omkring 0,04 graders Kelvin (-273,11 graders Celcius, red.). Først ved så lave temperaturer vil der være så lidt støj, at præcisionen vil kunne måle sig med den nye detektor,« forklarer Michael Drewsen fra Aarhus Universitet.

Lyssignaler kan transporteres over store afstande

Det er også værd at bide mærke i, at den nye detektor laver radiobølgerne om til laserlys – det vil sige optiske signaler.

Optiske signaler har mange for eksempel stiftet bekendtskab med fra fibernet – en form for kabler, som transmitterer laserlys-signaler og blandt andet bruges til internet og kabel-tv.

»Fordelen ved optiske signaler er, at man kan sende dem over lange afstande uden forstyrrelser og tab,« forklarer Eugene Polzik.

Det er allerede muligt at omforme radiobølger til optiske signaler på andre måder, men ifølge Eugene Polzik er det energikrævende – modsat tilfældet i den nyudviklede teknologi, hvor radiobølgerne detekteres og omformes til optiske signaler i ét og samme skridt.

Hvornår ser vi detektoren i vores elektronik?

Men hvad er så næste trin i Eugene Polziks forskning – og kan vi snart forvente at se de nye radiobølge-detektorer i elektronikken omkring os?

»Der er altid en lang vej fra en videnskabelig opdagelse til, man ser den blive brugt i praksis. Og der er mange faktorer, som kan gå galt undervejs,« understreger Eugene Polzik.

Eksperimenterne bag den nye undersøgelse er udført her i de kvanteoptiske laboratorier på Niels Bohr Institutet (NBI). Forskningsgruppen består af Albert Schliesser, Tolga Bagci og Anders Simonsen samt Eugene Polzik (set fra venstre på billedet). Herudover har Silvan Schmid fra Danmarks Tekniske Universitet, Anders Sørensen NBI og Jake Taylor fra Joint Quantum Institute i USA medvirket til undersøgelsen. (Foto: Københavns Universitet)

I første omgang regner hans forskergruppe med at afprøve den nyudviklede detektor på MR-skannere, som kendes fra hospitalerne.

MR-skannere gør brug af radiobølger, og ved at indbygge en mere følsom radiobølge-detektor i skannerne håber forskerne, at de kan skabe endnu mere præcise billeder af, hvordan vores kroppe ser ud indvendigt.

Skal afprøves til rumforskning

»Vi vil formentlig også afprøve, om vi kan detektere svage mikrobølgesignaler. Det kan være brugbart for radioastronomer, når de skal kigge efter kosmisk baggrundsstråling. Og hvis vi kan udvikle vores detektor til at blive lige så god, som vi tror, kunne man også forestille sig, at den i fremtiden kan blive indbygget i mobiltelefoner,« siger Eugene Polzik.

Hvad skulle fordelen være ved det?

»Fordelen ville være, at man fik en radiobølge-detektor, som kun bliver meget lidt forstyrret af støj og har et lavt energiforbrug. Plus at den kan transmitteres over store afstande,« siger Eugene Polzik.

Professor Michael Drewsen fra Aarhus Universitet påpeger dog, at en ulempe ved den nye teknologi kan være prisen.

»Fabrikationsprisen vil være dyrere, for den er mindre simpel at producere end en almindelig detektor. Men til gengæld får man en meget bedre detektion,« lyder den umiddelbare kommentar fra Michael Drewsen.

Kvantecomputer: Kan den bruge detektoren?

Både Michael Drewsen og Eugene Polzik påpeger, at den nye teknologi måske også kan vise sig at brugbar til udviklingen af kvantecomputere – en form for supercomputere, som forskere verden over arbejder på at udvikle.

»Hvis vores detektor kan gøres endnu mere følsom, burde den kunne blive i stand til at måle en enkelt mikrobølgepartikel, som kaldes en mikrobølge-foton. Vi vil være i stand til at forbinde fremtidens kvantecomputere, som arbejder med mikrobølge-fotoner, ved at omdanne dem til laser-fotoner.«

»Laser-fotoner kan bruges til at forbinde kvantenetværk, så måske vil vores detektor kunne bruges til at forbinde kvantecomputere i et netværk,« forklarer Eugene Polzik.

Om den nye detektor kan leve op til sit potentiale og de mange forhåbninger, må fremtiden vise.

... Eller følg os på Facebook, Twitter eller Instagram.

Videnskab.dk Podcast

Lyt til vores seneste podcast herunder eller via en podcast-app på din smartphone.


Se den nyeste video fra Tjek

Tjek er en YouTube-kanal om videnskab og sundhed henvendt til unge.

Indholdet på kanalen bliver produceret af Videnskab.dk's Center for Faglig Formidling med samme journalistiske arbejdsgange, som bliver anvendt på Videnskab.dk.