Gör dig redo för atomradio

Den grundläggande designen av radioantennen har inte förändrats på ett sekel. Antennen är vanligtvis en uppsättning metallstavar som är ungefär hälften så stor som den våglängd de är designade för att ta emot. Det elektriska fältet i en passerande radiovåg accelererar elektroner inuti dessa stavar och omvandlar energi från vågen till en liten elektrisk ström som kan förstärkas.

Men fysiker skulle verkligen älska att göra antenner mer kapabla och säkrare. Det skulle till exempel vara bra om enkla antenner kunde ta emot ett bredare våglängdsområde och vara mer motståndskraftiga mot elektromagnetiska störningar.

Skriv in David Anderson på Rydberg Technologies i Ann Arbor, Michigan, och ett par kollegor, som har återuppfunnit antennen från grunden. Deras nya enhet fungerar på ett helt annat sätt än konventionella antenner, och använder en laser för att mäta hur radiosignaler interagerar med vissa typer av atomer.

Den hemliga såsen i den nya apparaten är Rydberg-atomer. Dessa är cesiumatomer där de yttre elektronerna är så exciterade att de kretsar kring kärnan på långt avstånd. På dessa avstånd är elektronernas potentiella energinivåer extremt tätt placerade, och detta ger dem speciella egenskaper. Ja, vilket litet elektriskt fält som helst kan knuffa dem från en nivå till en annan.

Radiovågor består av alternerande elektriska fält som lätt interagerar med alla Rydberg-atomer de stöter på. Detta gör dem till potentiella sensorer.

Men hur upptäcker man denna interaktion? En gas gjord av Rydberg-atomer har en annan egenskap som visar sig vara användbar - den kan göras transparent med en laser avstämd till en specifik frekvens. Denna laser mättar i huvudsak gasens förmåga att absorbera ljus, vilket gör att en annan laserstråle kan passera genom den.

Den kritiska frekvensen vid vilken detta sker beror dock i avgörande grad på egenskaperna hos Rydberg-atomerna i gasen. När dessa atomer interagerar med radiovågor ändras den kritiska frekvensen som svar.

Det är grunden för radiodetektering. Anderson och co skapar en gas av cesiumatomer som exciteras till Rydberg-staterna. De använder sedan en laser avstämd till en specifik frekvens för att göra gasen transparent.

Slutligen lyser de en andra laser genom gasen och mäter hur mycket ljus som absorberas, för att se hur transparensen varierar med omgivande radiovågor.

Signalen från en enkel ljuskänslig fotodiod avslöjar sedan hur radiosignalerna är frekvensmodulerade eller amplitudmodulerade.

Och det är det: en antenn som består av ett moln av exciterade cesiumatomer, zappade av laserljus som flimrar i takt till alla omgivande radiovågor. De kallar det atomradio.

Anderson och co har satt sin apparat igenom dess takt med hjälp av mikrovågor och säger att den fungerar bra. Vi demonstrerar en atombaserad mottagare för AM- och FM-mikrovågskommunikation, säger de.

Bland dess fördelar gentemot konventionella antenner är det enorma utbudet av signaler som den kan detektera – över fyra oktaver från C-bandet till Q-bandet, eller våglängder från 2,5 till 15 centimeter. Själva antennen är en liten ångcell som kan skapa och hålla cesiumgas exciterad till Rydberg-atomer.

Men kanske mest revolutionerande är att detekteringen inte involverar konventionella radiokretsar. Atomradiovågsmottagaren fungerar genom direkt optisk detektering i realtid av atomsvaret på AM- och FM-basbandssignaler, vilket utesluter behovet av traditionell demodulerings- och signalkonditioneringselektronik, säger Anderson och co.

Det betyder att enheten borde vara mer eller mindre okänslig för den typ av elektromagnetisk störning som kan göra konventionella antenner oanvändbara.

För att testa enheten har teamet använt den för att ta emot AM- och FM-mikrovågssignaler från en inspelning av en mänsklig röst som sjunger Mary Had a Little Lamb. Den demonstrerade atomradion uppvisar bra prestanda över hela det mänskliga ljudbandet, säger de.

Den nya antennen är inte perfekt. Till exempel är dess dynamiska omfång lite mindre än normalt förväntat över radio. Men laget är optimistiskt att det kan förbättras avsevärt.

Atomradio är på väg.

Ref: arxiv.org/abs/1808.08589 : En atommottagare för AM- och FM-radiokommunikation

Dölj