Gør dig klar til atomradio

Det grundlæggende design af radioantennen har ikke ændret sig i et århundrede. Antennen er normalt et sæt metalstænger, der er omtrent halvdelen af ​​størrelsen af ​​den bølgelængde, de er designet til at modtage. Det elektriske felt i en forbipasserende radiobølge accelererer elektroner inde i disse stænger og omdanner energi fra bølgen til en lille elektrisk strøm, der kan forstærkes.

Men fysikere ville elske at gøre antenner mere kapable og mere sikre. Det ville for eksempel være godt, hvis simple antenner kunne modtage et bredere udvalg af bølgelængder og være mere modstandsdygtige over for elektromagnetisk interferens.

Indtast David Anderson hos Rydberg Technologies i Ann Arbor, Michigan, og et par kolleger, som har genopfundet antennen fra bunden. Deres nye enhed fungerer på en helt anden måde end konventionelle antenner og bruger en laser til at måle den måde, radiosignaler interagerer med visse typer atomer på.

Den hemmelige sauce i den nye enhed er Rydberg-atomer. Det er cæsiumatomer, hvor de ydre elektroner er så ophidsede, at de kredser om kernen i stor afstand. På disse afstande er elektronernes potentielle energiniveauer ekstremt tæt placeret, og det giver dem særlige egenskaber. Faktisk kan ethvert lille elektrisk felt skubbe dem fra et niveau til et andet.

Radiobølger består af vekslende elektriske felter, der let interagerer med ethvert Rydberg-atom, de støder på. Dette gør dem til potentielle sensorer.

Men hvordan opdager man denne interaktion? En gas lavet af Rydberg-atomer har en anden egenskab, der viser sig at være nyttig - den kan gøres gennemsigtig af en laser indstillet til en bestemt frekvens. Denne laser mætter i det væsentlige gassens evne til at absorbere lys, hvilket tillader en anden laserstråle at passere gennem den.

Den kritiske frekvens, hvormed dette sker, afhænger dog i afgørende grad af egenskaberne af Rydberg-atomerne i gassen. Når disse atomer interagerer med radiobølger, ændres den kritiske frekvens som reaktion.

Det er grundlaget for radiodetektion. Anderson og co skaber en gas af cæsiumatomer exciteret til Rydberg-stater. De bruger derefter en laser indstillet til en bestemt frekvens for at gøre gassen gennemsigtig.

Til sidst skinner de en anden laser gennem gassen og måler, hvor meget lys der absorberes, for at se, hvordan gennemsigtigheden varierer med omgivende radiobølger.

Signalet fra en simpel lysfølsom fotodiode afslører så, hvordan radiosignalerne er frekvensmodulerede eller amplitudemodulerede.

Og det er det: en antenne bestående af en sky af exciterede cæsiumatomer, zappet af laserlys, der flimrer i takt til alle omgivende radiobølger. De kalder det atomradio.

Anderson og co har prøvet deres enhed med mikrobølger og siger, at den fungerer godt. Vi demonstrerer en atombaseret modtager til AM- og FM-mikrobølgekommunikation, siger de.

Blandt dens fordele i forhold til konventionelle antenner er den enorme række af signaler, den kan detektere - over fire oktaver fra C-båndet til Q-båndet eller bølgelængder fra 2,5 til 15 centimeter. Selve antennen er en lille dampcelle, der kan skabe og holde cæsiumgas exciteret ind i Rydberg-atomer.

Men måske mest revolutionerende er, at detektionen ikke involverer konventionelle radiokredsløb. Atomradiobølgemodtageren fungerer ved direkte optisk detektering i realtid af den atomare reaktion på AM- og FM-basebåndssignaler, hvilket udelukker behovet for traditionel demodulations- og signalkonditioneringselektronik, siger Anderson og co.

Det betyder, at enheden skal være mere eller mindre ufølsom over for den slags elektromagnetiske interferens, der kan gøre konventionelle antenner ubrugelige.

For at teste enheden har holdet brugt den til at modtage AM- og FM-mikrobølgesignaler fra en optagelse af en menneskelig stemme, der synger Mary Had a Little Lamb. Den demonstrerede atomradio udviser god ydeevne over hele det menneskelige lydbånd, siger de.

Den nye antenne er ikke perfekt. For eksempel er dens dynamiske rækkevidde lidt mindre end normalt forventet over radio. Men holdet er optimistisk om, at det kan forbedres markant.

Atomradioer er på vej.

Ref: arxiv.org/abs/1808.08589 : En atommodtager til AM- og FM-radiokommunikation

skjule