Приём радиосигнала усилен в 100 раз
Исследователи из Национального института стандартов и технологий (NIST) увеличили чувствительность своего атомного радиоприемника в сто раз, поместив небольшой стеклянный цилиндр из атомов цезия внутрь того, что выглядит как изготовленные на заказ медные «наушники».
Медные «наушники» повышают чувствительность атомного радиоприемника NIST, состоящего из газа атомов цезия, приготовленного в особом состоянии внутри стеклянного контейнера. Когда антенна, расположенная над установкой, посылает радиосигнал, наушники усиливают силу принимаемого сигнала в сотни раз. Кредит: НИСТ
Структура — квадратная верхняя петля, соединяющая две квадратные панели — увеличивает входящий радиосигнал или электрическое поле, воздействующее на атомы газа в колбе (известной как испарительная ячейка) между панелями. Это усовершенствование позволяет радиоприемнику обнаруживать гораздо более слабые сигналы, чем раньше. Демонстрация описана в новой статье.
Структура наушников технически представляет собой резонатор с разъемным кольцом, который действует как метаматериал — материал, спроектированный с новой структурой для получения необычных свойств. «Мы можем назвать это структурой, вдохновленной метаматериалами», — сказал руководитель проекта NIST Крис Холлоуэй.
Исследователи NIST ранее продемонстрировали радиоприемник на основе атома. Атомный датчик может быть физически меньше и лучше работать в шумной среде, чем обычные радиоприемники, помимо других возможных преимуществ.
Паровая ячейка имеет длину около 14 миллиметров (мм) и диаметр 10 мм, что примерно равно размеру ногтя или компьютерного чипа, но толще. Верхняя петля резонатора имеет размер стороны около 16 мм, а ушные вкладыши около 12 мм.
Радиоприемник NIST полагается на особое состояние атомов. Исследователи используют два разных цветных лазера для перевода атомов, содержащихся в паровой ячейке, в высокоэнергетические («ридберговские») состояния, которые обладают новыми свойствами, такими как чрезвычайная чувствительность к электромагнитным полям. Частота и сила приложенного электрического поля влияют на цвета света, поглощаемого атомами, и это приводит к преобразованию силы сигнала в оптическую частоту, которую можно точно измерить.
Радиосигнал, подаваемый на новый резонатор, создает токи в воздушной петле, которые создают магнитный поток или напряжение. Размеры медной структуры меньше длины волны радиосигнала. В результате этот небольшой физический зазор между металлическими пластинами накапливает энергию вокруг атомов и усиливает радиосигнал. Это повышает эффективность работы или чувствительность.
«Петля улавливает входящее магнитное поле, создавая напряжение в промежутках», — сказал Холлоуэй. «Поскольку расстояние между зазорами небольшое, в зазоре создается большое электромагнитное поле».
Размеры петли и зазора определяют собственную или резонансную частоту медной конструкции. В экспериментах NIST зазор составлял чуть более 10 мм и ограничивался внешним диаметром доступной паровой камеры. Исследователи использовали коммерческий математический симулятор, чтобы определить размер контура, необходимый для создания резонансной частоты около 1,312 гигагерца, когда ридберговские атомы переключаются между энергетическими уровнями.
Несколько внешних сотрудников помогли смоделировать конструкцию резонатора. Моделирование предполагает, что сигнал можно было сделать в 130 раз сильнее, тогда как измеренный результат был примерно в сто раз, вероятно, из-за потерь энергии и несовершенств структуры. Меньший зазор даст большее усиление. Исследователи планируют исследовать другие конструкции резонаторов, меньшие паровые ячейки и другие частоты.
При дальнейшем развитии приемники на основе атомов могут предложить множество преимуществ по сравнению с обычными технологиями радиосвязи. Например, атомы действуют как антенна, и нет необходимости в традиционной электронике, которая преобразует сигналы на разные частоты для доставки, потому что атомы выполняют эту работу автоматически. Приемники атомов могут быть физически меньше, с размерами микрометрового масштаба. Кроме того, атомные системы могут быть менее восприимчивы к некоторым типам помех и шумов.
