Forskere udvikler innovative, atomresonansbaseret metode til måling af elektriske felter

I de sidste årtier har mobiltelefoner og andre trådløse enheder er blevet centrale træk ved livet rundt om i verden. Disse enheder udstråler varierede mængder elektromagnetisk energi og projekterer dermed elektriske felter ind i det omgivende rum. Det er afgørende for design og implementering af disse enheder, at de har nøjagtige og sporbare målinger for elektriske felter og udstrålet effekt. Indtil for nylig, imidlertid, det var ikke muligt at bygge selvkalibrerende sonder, der kunne generere uafhængige og absolutte målinger af disse elektriske feltværdier.

"Eksisterende elektriske feltprober er afhængige af en kalibreringsproces, der udgør noget af et kylling-og-æg-dilemma, "sagde Christopher L. Holloway, en videnskabsmand ved National Institute of Standards and Technology. "For at kalibrere en sonde, vi skal bruge et kendt felt. Men for at have et kendt felt, vi skal bruge en kalibreret sonde. "

For at løse dette problem, Holloway og hans kolleger har udviklet en ny metode til måling af elektriske felter og en ny sonde til at udføre sådanne målinger. De deler deres arbejde i denne uge i Journal of Applied Physics .

"Grundlaget for vores metode er en velstuderet teknik kaldet 'Elektromagnetisk induceret gennemsigtighed' (EIT). EIT involverer et medium, der normalt absorberer lys, og bruger et system med to lasere, der er indstillet på overgangen mellem atomernes tilstande i mediet for at gøre mediet gennemsigtigt, "Sagde Holloway.

"En af vores vigtigste innovationer involverer spændende alkali -atomer i et medium til et Rydberg, eller høj energi, stat. Under disse omstændigheder, et radiofrekvent elektrisk felt kan bruges til at excitere atomerne til den næste atomovergangstilstand, får EIT -signalet til at dele sig i to, "sagde Holloway." Opdelingen af ​​EIT -signalspektret måles let og er direkte proportional med den anvendte radiofrekvens elektriske feltamplitude. "

Nettoresultatet er, at styrken af ​​et elektrisk felt kan beregnes ved at måle frekvens med en høj grad af nøjagtighed og ved at bruge Plancks konstant, som snart vil blive anerkendt som en defineret enhed af International System of Units (SI). Som en følge heraf, denne måleteknik har en direkte SI -sporbarhedssti, et vigtigt træk for internationale metrologiske organisationer. Det ville også blive betragtet som selvkalibrerende, fordi det er baseret på atomresonanser.

Ud over disse metodologiske forbedringer, den nye teknik lover at dramatisk udvide omfanget af elektriske felter, der kan måles.

"I øjeblikket, der er ingen måde at udføre kalibrerede målinger af elektriske felter med frekvenser, der overstiger 110 GHz, "Holloway sagde." Denne nye teknik løser dette problem og muliggør muligvis kalibrering af elektriske felter med frekvenser så store som en terahertz. Denne udvidede båndbredde vil være relevant for fremtidige generationer af trådløse mobile telekommunikationssystemer. "

"En anden vigtig fordel er, at det giver mulighed for meget lille rumlig opløsning ved billeddannelse af mikrobølger. I princippet er det bør give mulighed for billeddannelse af mikrobølgefeltdistributioner med en opløsning på rækkefølgen af ​​optiske bølgelængder, mange størrelsesordener mindre end mikrobølge bølgelængder. Dette kan især være nyttigt til måling af elektriske felter i biomedicinske områder, "Sagde Holloway.

Holloway og hans kolleger har designet en sonde bestående af en fiberkoblet dampcelle, der kan bruges til at måle elektriske felter med denne nye teknik. Fremadrettet, de agter at arbejde sammen med andre samarbejdspartnere om miniaturisering af teknologien.