211service.com
Gjør deg klar for atomradio
Den grunnleggende designen til radioantennen har ikke endret seg på et århundre. Antennen er vanligvis et sett med metallstenger omtrent halvparten av størrelsen på bølgelengden de er designet for å motta. Det elektriske feltet i en passerende radiobølge akselererer elektroner inne i disse stavene, og konverterer energi fra bølgen til en liten elektrisk strøm som kan forsterkes.
Men fysikere ville elske å gjøre antenner mer kapable og sikrere. Det ville for eksempel vært bra om enkle antenner kunne motta et bredere spekter av bølgelengder og være mer motstandsdyktige mot elektromagnetisk interferens.
Skriv inn David Anderson hos Rydberg Technologies i Ann Arbor, Michigan, og et par kolleger, som har gjenoppfunnet antennen fra bunnen av. Den nye enheten deres fungerer på en helt annen måte enn konvensjonelle antenner, og bruker en laser for å måle måten radiosignaler samhandler med visse typer atomer.
Den hemmelige sausen i den nye enheten er Rydberg-atomer. Dette er cesiumatomer der de ytre elektronene er så opphisset at de går i bane rundt kjernen i stor avstand. På disse avstandene er elektronenes potensielle energinivå ekstremt tett plassert, og dette gir dem spesielle egenskaper. Faktisk kan ethvert lite elektrisk felt dytte dem fra ett nivå til et annet.
Radiobølger består av vekslende elektriske felt som lett interagerer med alle Rydberg-atomer de kommer over. Dette gjør dem til potensielle sensorer.
Men hvordan oppdage denne interaksjonen? En gass laget av Rydberg-atomer har en annen egenskap som viser seg å være nyttig - den kan gjøres gjennomsiktig med en laser innstilt på en bestemt frekvens. Denne laseren metter i hovedsak gassens evne til å absorbere lys, og lar en annen laserstråle passere gjennom den.
Den kritiske frekvensen dette skjer med avhenger imidlertid i avgjørende grad av egenskapene til Rydberg-atomene i gassen. Når disse atomene samhandler med radiobølger, endres den kritiske frekvensen som respons.
Det er grunnlaget for radiodeteksjon. Anderson og co lager en gass av cesiumatomer eksitert inn i Rydberg-statene. De bruker deretter en laser innstilt til en bestemt frekvens for å gjøre gassen gjennomsiktig.
Til slutt skinner de en andre laser gjennom gassen og måler hvor mye lys som absorberes, for å se hvordan gjennomsiktigheten varierer med omgivende radiobølger.
Signalet fra en enkel lysfølsom fotodiode avslører så måten radiosignalene er frekvensmodulert eller amplitudemodulert på.
Og det er det: en antenne som består av en sky av eksiterte cesiumatomer, zappet av laserlys som flimrer i takt til alle omgivende radiobølger. De kaller det atomradio.
Anderson og co har testet enheten sin ved hjelp av mikrobølger og sier at den fungerer bra. Vi demonstrerer en atombasert mottaker for AM- og FM-mikrobølgekommunikasjon, sier de.
Blant fordelene i forhold til konvensjonelle antenner er det enorme spekteret av signaler den kan oppdage – over fire oktaver fra C-båndet til Q-båndet, eller bølgelengder fra 2,5 til 15 centimeter. Selve antennen er en liten dampcelle som kan lage og holde cesiumgass eksitert inn i Rydberg-atomer.
Men kanskje mest revolusjonerende er at deteksjonen ikke involverer konvensjonelle radiokretser. Atomradiobølgemottakeren opererer ved direkte sanntids optisk deteksjon av atomresponsen på AM- og FM-basebåndsignaler, og utelukker behovet for tradisjonell demodulasjons- og signalkondisjoneringselektronikk, sier Anderson og co.
Det betyr at enheten skal være mer eller mindre ufølsom for den typen elektromagnetisk interferens som kan gjøre konvensjonelle antenner ubrukelige.
For å teste enheten har teamet brukt den til å motta AM- og FM-mikrobølgesignaler fra et opptak av en menneskelig stemme som synger Mary Had a Little Lamb. Den demonstrerte atomradioen viser god ytelse over hele det menneskelige lydbåndet, sier de.
Den nye antennen er ikke perfekt. For eksempel er dens dynamiske rekkevidde litt mindre enn normalt forventet over radio. Men laget er optimistisk på at det kan forbedres betydelig.
Atomradioer er på vei.
Ref: arxiv.org/abs/1808.08589 : En atommottaker for AM- og FM-radiokommunikasjon