Pasiruoškite atominiam radijui

Pagrindinė radijo antenos konstrukcija nepasikeitė per šimtmetį. Antena paprastai yra metalinių strypų rinkinys, maždaug perpus mažesnis už bangos ilgį, kuriam jie skirti priimti. Praeinančios radijo bangos elektrinis laukas pagreitina šių strypų viduje esančius elektronus, paversdamas bangos energiją į mažytę elektros srovę, kurią galima sustiprinti.

Tačiau fizikai labai norėtų, kad antenos būtų galingesnės ir saugesnės. Būtų gerai, pavyzdžiui, jei paprastos antenos galėtų priimti platesnį bangų ilgių diapazoną ir būtų atsparesnės elektromagnetiniams trukdžiams.

Įveskite David Anderson iš Rydberg Technologies Ann Arbor mieste, Mičigano valstijoje, ir pora kolegų, kurie iš naujo išrado anteną nuo nulio. Jų naujasis prietaisas veikia visiškai kitaip nei įprastos antenos, naudodamas lazerį, kad išmatuotų radijo signalų sąveiką su tam tikrų tipų atomais.

Slaptas padažas naujajame įrenginyje – Rydbergo atomai. Tai cezio atomai, kurių išoriniai elektronai yra taip sužadinti, kad skrieja aplink branduolį dideliu atstumu. Tokiais atstumais elektronų potencialios energijos lygiai yra labai arti, ir tai suteikia jiems ypatingų savybių. Iš tiesų, bet koks mažas elektrinis laukas gali nustumti juos iš vieno lygio į kitą.

Radijo bangas sudaro kintamieji elektriniai laukai, kurie lengvai sąveikauja su bet kuriais Rydbergo atomais, su kuriais susiduria. Tai daro juos potencialiais jutikliais.

Bet kaip aptikti šią sąveiką? Dujos, pagamintos iš Rydbergo atomų, turi dar vieną naudingą savybę – jas galima padaryti skaidrias lazeriu, suderintu pagal konkretų dažnį. Šis lazeris iš esmės prisotina dujų gebėjimą sugerti šviesą, leisdamas kitam lazerio spinduliui praeiti pro jį.

Tačiau kritinis dažnis, kuriuo tai vyksta, labai priklauso nuo Rydbergo atomų savybių dujose. Kai šie atomai sąveikauja su radijo bangomis, kritinis dažnis keičiasi.

Tai yra radijo aptikimo pagrindas. Andersonas ir bendradarbiai sukuria cezio atomų dujas, sužadintas į Rydbergo būsenas. Tada jie naudoja lazerį, suderintą su tam tikru dažniu, kad dujos būtų skaidrios.

Galiausiai jie šviečia antruoju lazeriu per dujas ir išmatuoja, kiek šviesos sugerta, kad pamatytų, kaip skaidrumas kinta priklausomai nuo aplinkos radijo bangų.

Signalas iš paprasto šviesai jautraus fotodiodo atskleidžia radijo signalų dažnio moduliavimo arba amplitudės moduliavimo būdą.

Ir viskas: antena, sudaryta iš sužadintų cezio atomų debesies, sulieta lazerio šviesos, kuri laiku mirksi bet kokioms aplinkos radijo bangoms. Jie tai vadina atominiu radiju.

Andersonas ir bendradarbiai išnaudojo savo įrenginį naudodami mikrobangų krosneles ir teigia, kad jis veikia gerai. Jie sako, kad demonstruojame atominį imtuvą AM ir FM mikrobangų ryšiui.

Vienas iš jos pranašumų, palyginti su įprastomis antenomis, yra didžiulis signalų, kuriuos ji gali aptikti, diapazonas – daugiau nei keturios oktavos nuo C juostos iki Q juostos arba bangos ilgiai nuo 2,5 iki 15 centimetrų. Pati antena yra mažas garų elementas, galintis sukurti ir išlaikyti cezio dujas, sužadintas į Rydbergo atomus.

Tačiau turbūt revoliucingiausia yra tai, kad aptikimas neapima įprastinės radijo grandinės. Atominis radijo bangų imtuvas veikia tiesiogiai realiuoju laiku optiškai aptikdamas atominį atsaką į AM ir FM bazinės juostos signalus, todėl nereikia tradicinės demoduliacijos ir signalo kondicionavimo elektronikos, sako Andersonas ir kt.

Tai reiškia, kad įrenginys turėtų būti daugiau ar mažiau nejautrus elektromagnetiniams trukdžiams, dėl kurių įprastinės antenos gali tapti nenaudingomis.

Norėdami išbandyti įrenginį, komanda jį panaudojo, kad gautų AM ir FM mikrobangų signalus iš žmogaus balso, dainuojančio Mary Had a Little Lamb, įrašo. Pasak jų, demonstruotas atominis radijas puikiai veikia visoje žmogaus garso juostoje.

Naujoji antena nėra tobula. Pavyzdžiui, jo dinaminis diapazonas yra šiek tiek mažesnis, nei paprastai tikimasi per radiją. Tačiau komanda tikisi, kad ją galima gerokai patobulinti.

Atominiai radijo imtuvai yra pakeliui.

Nuoroda: arxiv.org/abs/1808.08589 : Atominis imtuvas AM ir FM radijo ryšiui

paslėpti