Tutkijat tehostavat atomiradion vastaanottoa

Yhdysvaltain kansallisen standardointi- ja teknologiainstituutin (NIST) tutkijat ovat lisänneet atomisen radiovastaanottimensa herkkyyttä satakertaisesti sulkemalla pienen lasisylinterin, jossa on cesiumatomeja, rakenteeseen joka näyttää kuparisilta kuulokkeilta.

Rakenne - neliömäinen yläsilmukka ja kaksi neliömäistä levyä - lisää tulevaa radiosignaalia tai sähkökenttää, joka kohdistetaan höyrykennon kaasumaisiin atomeihin levyjen välissä. Tämä parannus mahdollistaa radiovastaanottimen havaitsemaan paljon heikommat signaalit kuin ennen.

Kuparinen rakenne on teknisesti jaettu rengasresonaattori (SRR), joka toimii metamateriaalina. "Voimme kutsua sitä metamateriaalien inspiroimaksi rakenteeksi", projektin johtaja Chris Holloway kertoo.

NIST:n tutkijat osoittivat vuonna 2019 atomipohjaisen radiovastaanottimen. Atominen tunnistin voi olla fyysisesti pienempi ja toimia paremmin kohinaisessa ympäristössä kuin perinteiset radiovastaanottimet muiden mahdollisten etujen ohella.

NIST:n radiovastaanotin luottaa atomien tiettyyn erityistilaan. Tutkijat käyttävät kahta eriväristä laseria valmistaakseen höyrykennon sisältämiä atomeja korkean energian ("Rydberg") tiloihin, joilla on uusia ominaisuuksia, kuten äärimmäinen herkkyys sähkömagneettisille kentille. Käytetyn sähkökentän taajuus ja voimakkuus vaikuttavat atomien absorboiman valon väreihin ja tämä vaikuttaa signaalin voimakkuuden muuntamiseen tarkasti mitattavissa olevaksi optiseksi taajuudeksi.

Uuteen resonaattoriin syötetty radiosignaali synnyttää yläsilmukassa virtoja, jotka muodostavat magneettivuon eli jännitteen. Kuparirakenteen mitat ovat pienempiä kuin radiosignaalin aallonpituus.

"Silmukka vangitsee tulevan magneettikentän luoden jännitteen rakojen yli", Holloway sanoo. "Koska rako on pieni, raon poikki kehittyy suuri sähkömagneettinen kenttä."

Silmukan ja raon koot määräävät kuparirakenteen resonanssitaajuuden. NIST-kokeissa rako oli hieman yli 10 mm, jonka määritti käytettävissä olevan höyrykennon ulkohalkaisija. Tutkijat käyttivät kaupallista matemaattista simulaattoria määrittääkseen silmukan koon, joka tarvitaan luomaan resonanssitaajuus lähellä 1,312 gigahertsiä, jossa Rydberg-atomit vaihtavat energiatasojen välillä.

Mallintamisen mukaan signaalista voitaisiin tehdä 130 kertaa vahvempi, kun mitattu tulos oli noin satakertainen, mikä johtuu todennäköisesti energiahäviöistä ja rakenteen epätäydellisyydestä. Pienempi rako tuottaisi suuremman vahvistuksen.

Jatkokehityksen myötä atomipohjaiset vastaanottimet voivat tarjota monia etuja perinteisiin radioteknologioihin verrattuna. Esimerkiksi atomit toimivat antennina, eikä perinteistä elektroniikkaa, joka muuntaa signaalit eri taajuuksille tarvita, koska atomit tekevät työn automaattisesti.

Atomivastaanottimet voivat olla fyysisesti pienempiä, mitoiltaan mikrometriä. Lisäksi atomipohjaiset järjestelmät voivat olla vähemmän herkkiä tietyntyyppisille häiriöille ja kohinalle.

Aiheesta aiemmin:

Kohti atomipohjaista radioviestintää

Kvanttianturi kattaa koko radiotaajuusspektrin

Atomista audiotallennusta