Gigahertz-Schwingungsmessung mit Auflösungsvermögen nahe der fundamentalen Grenze für hochfrequente Funksysteme und Quanteninformationsanwendungen

• Antragsteller: Dr.-Ing. Marvin Schewe
• Fachliche Zuordnung: Messsysteme
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 520954566

Durch die Ausweitung der globalen Vernetzung technischer Geräte im „Internet of Things“ (IoT) besteht ein erhöhter Bedarf der Kommunikation bei hochfrequenten Funksystemen, z.B. im 5G Mobilfunkstandard. In diesem Zusammenhang werden hauptsächlich mikroakustische Resonatoren bzw. Filter verwendet, die eine Nutzung der Frequenzkanäle im Gigahertz-Bereich durch Kanalselektion bzw. Unterdrückung von Störungen anderer Frequenzkanäle ermöglichen. Mikroakustische Filter wie SAW- (surface acoustic wave) und BAW- (bulk acoustic wave) Filter besitzen einen hohen Gütefaktor, können sehr kompakt gebaut werden und eignen sich zur einfachen Massenfertigung. Darüber hinaus werden sie vermehrt in der Quanteninformatik zur Speicherung der Information von Qubits über die Kopplung mit Phononen verwendet. Für den technischen Einsatz in der Kommunikations- und Quantentechnik ist es zwingend erforderlich, die resultierenden mikroakustischen Vibrationen bzw. deren Oberschwingungen im Bereich bis zu 20 GHz und einer Auflösung unterhalb eines Pikometers zu detektieren. Nur so ist es möglich, die Materialeigenschaften genau zu bestimmen. Eine Schwingungsmessung ermöglicht die Optimierung der Leistungsfähigkeit, z.B. durch die Analyse von Dissipationsmechanismen und auftretender destruktiver Interferenzen. Die Arbeitsgruppe von Dr. Jason Gorman (National Institute of Standards and Technology) besitzt mit der homodynen Pulslaser Interferometrie eins der derzeit besten Messverfahren zur Messung von Schwingungen im Gigahertz-Bereich. Mit dem Aufbau des NIST können harmonische schmalbandige Schwingungen bei einer Frequenz bis zu 12 GHz gemessen werden. Die erzielten Auflösungen liegen mit 55 fm/√Hz ca. einen Faktor von 10 über den theoretisch erreichbaren Auflösungen, die durch physikalische Effekte wie dem Quantenrauschen limitiert werden. Ziel des Forschungsvorhabens ist es, die Messmethode auf nichtlineare Schwingungen zu erweitern, die maximal messbaren Schwingungen auf bis zu 20 GHz zu erhöhen und die Auflösung dabei auf ca. 20 fm/√Hz zu verringern. Darüber hinaus soll außerdem erforscht werden, ob das Messverfahren durch eine Adaption auf ein heterodynes Verfahren weiter verbessert werden kann. Zur Umsetzung des Vorhabens sollen alle verwendeten Komponenten des Messverfahrens analysiert werden, um limitierende Faktoren zu identifizieren und diese anschließend zu optimieren. Neben der Optimierung der Detektorelektronik soll auch die laterale Auflösung durch die Verwendung eines Lasers mit einer geringeren Wellenlänge und Mikroskopobjektiven mit einer höheren numerischen Apertur verbessert werden. Zur Erweiterung des Messverfahrens auf nichtlineare Schwingungen muss die Signalverarbeitung grundlegend angepasst werden. Durch Realisierung der Projektziele kann ein bisher nicht erreichtes Verständnis des physikalischen Verhaltens von neuartigen mikroakustischen Resonatoren bzw. Filtern ermöglicht werden, das signifikant zur Entwicklung und Optimierung beitragen kann.

• DFG-Verfahren: WBP Stipendium
• Internationaler Bezug: USA
• Gastgeber: Dr. Jason J. Gorman