Tilpassede hovedtelefoner øger atomradiomodtagelse 100 gange

Forskere ved National Institute of Standards and Technology (NIST) har øget følsomheden af ​​deres atomradiomodtager hundrede gange ved at lukke en lille glascylinder af cæsiumatomer inde i, hvad der ligner brugerdefinerede kobber-"hovedtelefoner".

Strukturen - en firkantet overliggende sløjfe, der forbinder to firkantede paneler - øger det indkommende radiosignal eller elektriske felt, der påføres de gasformige atomer i kolben (kendt som en dampcelle) mellem panelerne. Denne forbedring gør det muligt for radiomodtageren at registrere meget svagere signaler end før. Demonstrationen er beskrevet i et nyt papir.

Hovedtelefonstrukturen er teknisk set en split-ring-resonator, der fungerer som et metamateriale - et materiale konstrueret med nye strukturer til at producere usædvanlige egenskaber. "Vi kan kalde det en metamateriale-inspireret struktur," sagde NIST-projektleder Chris Holloway.

NIST-forskere har tidligere demonstreret den atombaserede radiomodtager. En atomsensor har potentialet til at være fysisk mindre og fungere bedre i støjende omgivelser end konventionelle radiomodtagere, blandt andre mulige fordele.

Dampcellen er omkring 14 millimeter (mm) lang med en diameter på 10 mm, omtrent på størrelse med en fingernegl eller computerchip, men tykkere. Resonatorens overliggende løkke er omkring 16 mm på en side, og ørekapperne er omkring 12 mm på en side.

NIST-radiomodtageren er afhængig af en særlig tilstand af atomerne. Forskere bruger to forskellige farvelasere til at forberede atomer indeholdt i dampcellen til højenergitilstande ("Rydberg"), som har nye egenskaber såsom ekstrem følsomhed over for elektromagnetiske felter. Frekvensen og styrken af ​​et påført elektrisk felt påvirker lysfarverne, der absorberes af atomerne, og dette har den effekt, at signalstyrken konverteres til en optisk frekvens, der kan måles nøjagtigt.

Et radiosignal påført den nye resonator skaber strømme i overheadsløjfen, som producerer en magnetisk flux eller spænding. Dimensionerne af kobberstrukturen er mindre end radiosignalets bølgelængde. Som et resultat har dette lille fysiske mellemrum mellem metalpladerne den effekt, at det lagrer energi omkring atomerne og forstærker radiosignalet. Dette øger ydeevneeffektiviteten eller følsomheden.

"Sløjfen fanger det indkommende magnetfelt og skaber en spænding over hullerne," sagde Holloway. "Da mellemrummet er lille, udvikles der et stort elektromagnetisk felt henover mellemrummet."

Sløjfe- og spaltestørrelserne bestemmer den naturlige eller resonansfrekvens af kobberstrukturen. I NIST-eksperimenterne var mellemrummet lidt over 10 mm, begrænset af den udvendige diameter af den tilgængelige dampcelle. Forskerne brugte en kommerciel matematisk simulator til at bestemme den løkkestørrelse, der er nødvendig for at skabe en resonansfrekvens nær 1.312 gigahertz, hvor Rydberg-atomer skifter mellem energiniveauer.

Flere eksterne samarbejdspartnere hjalp med at modellere resonatordesignet. Modellering tyder på, at signalet kunne gøres 130 gange stærkere, hvorimod det målte resultat var omkring hundrede gange, sandsynligvis på grund af energitab og ufuldkommenheder i strukturen. Et mindre mellemrum ville producere større forstærkning. Forskerne planlægger at undersøge andre resonatordesigns, mindre dampceller og forskellige frekvenser.

Med yderligere udvikling kan atombaserede modtagere tilbyde mange fordele i forhold til konventionelle radioteknologier. For eksempel fungerer atomerne som antenne, og der er ikke behov for traditionel elektronik, der konverterer signaler til forskellige frekvenser til levering, fordi atomerne gør jobbet automatisk. Atommodtagerne kan være fysisk mindre med dimensioner i mikrometerskala. Derudover kan atombaserede systemer være mindre modtagelige for nogle typer interferens og støj. + Udforsk yderligere

NIST-demo tilføjer nøglefunktioner til atom-baseret radiokommunikation