토요일, 12월 15, 2018
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실제로 FM방송이 들리는 원자 라디오

글쓴이 : SOONDORI

호기심 때문에 이 세상에서 가장 작은 라디오를 찾는 중이다.

지난 번 나노튜브-라디오에서 멈출 것이라 생각했던 크기가 이번엔 원자단위까지 내려갔고 이번에 확실히 FM방송이 들린다. ‘A Diamond Radio Receiver’로 설명이 붙은 이 장치는 하버드대학교 응공학연구실이 2016년 10월에 공개한 것으로 본래는 우주, 의료 등 특수분야 활용을 염두에 둔 연구결과물이다. (출처 및 소개 글 : https://www.seas.harvard.edu/news/2016/12/world-s-smallest-radio-receiver-has-building-blocks-size-of-two-atoms)

동작은 다이아몬드의 탄소원자 두 개를 제거한 후 질소 원자 하나를 붙이되 그 옆 원자공간을 비워 놓으면(이를 질소결핍공간(Nitrogen-Vacancy (NV) Centers)이라고 표현하고 있다) 해당 공간이 매우 약한 전자기파에 반응하면서 가해진 외부 에너지에 의해 광자를 만들어내는 원리를 이용한다고 한다. (도대체 이런 현상을 어떻게 발견했을까?)

(The radio uses tiny imperfections in diamonds called nitrogen-vacancy (NV) centers. To make NV centers, researchers replace one carbon atom in a tiny diamond crystal with a nitrogen atom and remove a neighboring atom — creating a system that is essentially a nitrogen atom with a hole next to it. NV centers can be used to emit single photons or detect very weak magnetic fields)

RF동조, 복조, 음향재생 등 실제 FM방송이 들리게 된 과정에 대한 설명은 다음과 같이 요약된다. (URL : https://journals.aps.org/prapplied/abstract/10.1103/PhysRevApplied.6.064008)

아래 그림 (a)에서와 같이 532um 레이저(일종의 전원)를 평판 측면에, RF시그널(일종의 신호입력)을 상면에 투입하면 NV Center의 반응에 의해 반대편 광 스펙트럼(일종의 처리출력)이 달라진다. 동영상 설명에서는 Green 레이저 색상이 Red 색상으로 바뀐다고 했다. 모름지기 방출된 광자들의 간섭, 산란 등 복합적인 물리현상이 개입되어 있을 것이다.

그림 (b)는 전자기파가 광학적으로 변환-픽업되고 동시에 일부 증폭되는 것을 보여주고 있다. 전파의 미세한 변동(Microwave De-tuning)에 의해 광 스펙트럼의 강도(Fluorescence Intensity)가 달라지고 있음이다. 연구진은 이 변환을 ODMR(Optically Detected Magnetic Resonance)이라고 표현한다. 물리변환은 위 그림 (c)에서 예시되는 바와 같은데 말 그대로 FM 동조와 복조(Demodulation) 그 자체이다.

아래 파형은 원본 시그널(흑색)과 픽업 시그널(청색)를 비교한 것. 한 눈에 봐도 RF 입력과 원자 광 방출에 의한 스펙트럼 변화 사이에 완벽한 유사성이 있다.

라디오이니 방송국을 선택할 수 있어야 하는데… 가변동조는 어떻게 처리할까?

그에 대한 정보는 제공하고 있지않다. 정말 93.1Mhz FM방송 듣자는 것 아니다. 즉, 매우 특수한 분야에서 사용될 것이니 그럴 필요가 없고 예를 들어 생체삽입 기기가 일반방송 주파수에 반응한다면 그게 오히려 심각한 문제가 될 것.

대단한 아이디어로서 동조, 복조, 증폭을 한 번에 멋지게 처리했지만… 상용화를 위해 다이아몬드 이외의 것들을 작게 만드는 일은 넘사벽, 엄청난 고민거리일 것이다. 값싼 인조 다이아몬드 가지고 원자 두 개쯤 바꿔치기 하는 일은 공장에서 쉽게 할 수 있겠지만 흔들림이 없는 초극소형 532um 레이저-모듈, 초미세 스펙트럼 픽업 그리고 또… 배터리 등 안정적인 전원공급 대책은?

NASA가 알아서 할 것인가?

 

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