Przygotuj się na radio atomowe

Podstawowa konstrukcja anteny radiowej nie zmieniła się od stulecia. Antena jest zwykle zestawem metalowych prętów, mniej więcej o połowę krótszych od długości fali, do której odbioru są przeznaczone. Pole elektryczne w przechodzącej fali radiowej przyspiesza elektrony wewnątrz tych prętów, przekształcając energię fali w niewielki prąd elektryczny, który można wzmocnić.

Ale fizycy bardzo chcieliby, aby anteny były bardziej wydajne i bezpieczniejsze. Byłoby dobrze, na przykład, gdyby proste anteny mogły odbierać szerszy zakres długości fal i były bardziej odporne na zakłócenia elektromagnetyczne.

Dołącz do Davida Andersona z Rydberg Technologies w Ann Arbor w stanie Michigan i kilku kolegów, którzy na nowo wynaleźli antenę od zera. Ich nowe urządzenie działa w zupełnie inny sposób niż konwencjonalne anteny, wykorzystując laser do pomiaru interakcji sygnałów radiowych z niektórymi rodzajami atomów.

Sekretnym sosem w nowym urządzeniu są atomy Rydberga. Są to atomy cezu, w których zewnętrzne elektrony są tak wzbudzone, że krążą wokół jądra z dużej odległości. Na tych odległościach poziomy energii potencjalnej elektronów są bardzo blisko siebie, co nadaje im szczególne właściwości. Rzeczywiście, każde małe pole elektryczne może przesunąć je z jednego poziomu na drugi.

Fale radiowe składają się z naprzemiennych pól elektrycznych, które łatwo oddziałują z dowolnymi napotkanymi atomami Rydberga. To czyni je potencjalnymi czujnikami.

Ale jak wykryć tę interakcję? Gaz zbudowany z atomów Rydberga ma jeszcze jedną użyteczną właściwość — może stać się przezroczysty za pomocą lasera dostrojonego do określonej częstotliwości. Laser ten zasadniczo nasyca zdolność gazu do pochłaniania światła, umożliwiając przejście przez niego kolejnej wiązki laserowej.

Jednak krytyczna częstotliwość, z jaką to się dzieje, zależy przede wszystkim od właściwości atomów Rydberga w gazie. Kiedy te atomy wchodzą w interakcję z falami radiowymi, częstotliwość krytyczna zmienia się w odpowiedzi.

To podstawa wykrywania radiowego. Anderson i współtworzą gaz atomów cezu wzbudzonych w stany Rydberga. Następnie używają lasera dostrojonego do określonej częstotliwości, aby gaz stał się przezroczysty.

Na koniec prześwietlają gaz drugim laserem i mierzą, ile światła zostało zaabsorbowane, aby zobaczyć, jak przezroczystość zmienia się wraz z otaczającymi falami radiowymi.

Sygnał z prostej światłoczułej fotodiody ujawnia następnie sposób, w jaki sygnały radiowe są modulowane częstotliwościowo lub amplitudowo.

I to jest to: antena składająca się z chmury wzbudzonych atomów cezu, wystrzeliwanych przez światło lasera, które migocze w czasie do dowolnych fal radiowych z otoczenia. Nazywają to radio atomowe.

Anderson i spółka przetestowali swoje urządzenie za pomocą mikrofal i twierdzą, że działa dobrze. Mówią, że demonstrujemy oparty na atomie odbiornik do komunikacji mikrofalowej AM i FM.

Jedną z jego zalet w porównaniu z konwencjonalnymi antenami jest ogromny zakres wykrywanych sygnałów — ponad cztery oktawy od pasma C do pasma Q lub długości fal od 2,5 do 15 centymetrów. Sama antena jest małą komórką parową, która może wytwarzać i utrzymywać gaz cezowy wzbudzony w atomach Rydberga.

Ale być może najbardziej rewolucyjne jest to, że wykrywanie nie obejmuje konwencjonalnych obwodów radiowych. Odbiornik atomowych fal radiowych działa na zasadzie bezpośredniego optycznego wykrywania w czasie rzeczywistym odpowiedzi atomowej na sygnały pasma podstawowego AM i FM, co wyklucza potrzebę tradycyjnej demodulacji i elektroniki kondycjonującej sygnał, jak mówią Anderson i spółka.

Oznacza to, że urządzenie powinno być mniej lub bardziej niewrażliwe na rodzaj zakłóceń elektromagnetycznych, które mogą sprawić, że konwencjonalne anteny staną się bezużyteczne.

Aby przetestować urządzenie, zespół wykorzystał je do odbioru sygnałów mikrofalowych AM i FM nagrania ludzkiego głosu śpiewającego Mary Had a Little Lamb. Mówią, że zademonstrowane radio atomowe wykazuje dobrą wydajność w całym ludzkim paśmie audio.

Nowa antena nie jest idealna. Na przykład jego zakres dynamiczny jest nieco mniejszy niż zwykle oczekiwano w radiu. Ale zespół jest optymistą, że można go znacznie poprawić.

Radia atomowe są już w drodze.

Nr ref.: arxiv.org/abs/1808.08589 : Odbiornik atomowy do komunikacji radiowej AM i FM

ukryć