Benutzerdefinierte „Kopfhörer“ verstärken den atomaren Radioempfang um das 100-fache

Forscher des National Institute of Standards and Technology (NIST) haben die Empfindlichkeit ihres atomaren Funkempfängers um das Hundertfache gesteigert, indem sie einen kleinen Glaszylinder aus Cäsiumatomen in etwas eingeschlossen haben, das wie maßgefertigte Kupferkopfhörer aussieht.

Die Struktur – eine quadratische Überkopfschleife, die zwei quadratische Platten verbindet – verstärkt das eingehende Funksignal oder elektrische Feld, das an die gasförmigen Atome in der Flasche (bekannt als Dampfzelle) zwischen den Platten angelegt wird. Diese Verbesserung ermöglicht es dem Funkempfänger, viel schwächere Signale als zuvor zu erkennen. Die Demonstration wird in einem neuen Papier beschrieben.

Die Kopfhörerstruktur ist technisch gesehen ein Split-Ring-Resonator, der wie ein Metamaterial wirkt – ein Material, das mit neuartigen Strukturen entwickelt wurde, um ungewöhnliche Eigenschaften zu erzeugen. „Wir können es eine von Metamaterialien inspirierte Struktur nennen“, sagte NIST-Projektleiter Chris Holloway.

NIST-Forscher demonstrierten zuvor den atombasierten Funkempfänger. Ein Atomsensor hat neben anderen möglichen Vorteilen das Potenzial, physisch kleiner zu sein und in lauten Umgebungen besser zu funktionieren als herkömmliche Funkempfänger.

Die Dampfzelle ist etwa 14 Millimeter (mm) lang und hat einen Durchmesser von 10 mm, ungefähr so ​​groß wie ein Fingernagel oder ein Computerchip, aber dicker. Die Overhead-Schlaufe des Resonators hat eine Seitenlänge von etwa 16 mm und die Ohrabdeckungen eine Seitenlänge von etwa 12 mm.

Der NIST-Funkempfänger stützt sich auf einen besonderen Zustand der Atome. Die Forscher verwenden zwei verschiedene Farblaser, um in der Dampfzelle enthaltene Atome in hochenergetische („Rydberg“) Zustände zu bringen, die neuartige Eigenschaften wie extreme Empfindlichkeit gegenüber elektromagnetischen Feldern aufweisen. Die Frequenz und Stärke eines angelegten elektrischen Felds beeinflusst die von den Atomen absorbierten Lichtfarben, und dies hat den Effekt, dass die Signalstärke in eine optische Frequenz umgewandelt wird, die genau gemessen werden kann.

Ein an den neuen Resonator angelegtes Funksignal erzeugt Ströme in der Überkopfschleife, die einen magnetischen Fluss oder eine Spannung erzeugen. Die Abmessungen der Kupferstruktur sind kleiner als die Wellenlänge des Funksignals. Infolgedessen bewirkt dieser kleine physische Spalt zwischen den Metallplatten, dass Energie um die Atome herum gespeichert und das Funksignal verstärkt wird. Dies steigert die Leistungseffizienz oder Empfindlichkeit.

„Die Schleife fängt das eingehende Magnetfeld ein und erzeugt eine Spannung über den Lücken“, sagte Holloway. „Da der Spaltabstand klein ist, wird ein großes elektromagnetisches Feld über den Spalt hinweg entwickelt.“

Die Schleifen- und Lückengrößen bestimmen die natürliche oder Resonanzfrequenz der Kupferstruktur. In den NIST-Experimenten betrug der Spalt knapp über 10 mm, begrenzt durch den Außendurchmesser der verfügbaren Dampfzelle. Die Forscher verwendeten einen kommerziellen mathematischen Simulator, um die Schleifengröße zu bestimmen, die erforderlich ist, um eine Resonanzfrequenz nahe 1,312 Gigahertz zu erzeugen, bei der Rydberg-Atome zwischen Energieniveaus wechseln.

Mehrere externe Mitarbeiter halfen bei der Modellierung des Resonatordesigns. Die Modellierung legt nahe, dass das Signal 130-mal stärker gemacht werden könnte, während das gemessene Ergebnis etwa das Hundertfache war, wahrscheinlich aufgrund von Energieverlusten und Unvollkommenheiten in der Struktur. Eine kleinere Lücke würde eine größere Verstärkung erzeugen. Die Forscher planen, andere Resonatordesigns, kleinere Dampfzellen und andere Frequenzen zu untersuchen.

Mit der weiteren Entwicklung können atombasierte Empfänger viele Vorteile gegenüber herkömmlichen Funktechnologien bieten. Beispielsweise fungieren die Atome als Antenne, und es besteht keine Notwendigkeit für herkömmliche Elektronik, die Signale für die Übertragung in verschiedene Frequenzen umwandelt, da die Atome die Arbeit automatisch erledigen. Die Atomempfänger können physisch kleiner sein, mit Abmessungen im Mikrometerbereich. Darüber hinaus können atombasierte Systeme weniger anfällig für einige Arten von Interferenzen und Rauschen sein.