Des chercheurs du National Institute of Standards and Technology (NIST) ont multiplié par cent la sensibilité de leur récepteur radio atomique en enfermant un petit cylindre en verre d’atomes de césium à l’intérieur de ce qui ressemble à des « casques » en cuivre personnalisés.
La structure – une boucle aérienne carrée reliant deux panneaux carrés – augmente le signal radio entrant, ou champ électrique, appliqué aux atomes gazeux dans le ballon (appelé cellule à vapeur) entre les panneaux. Cette amélioration permet au récepteur radio de détecter des signaux beaucoup plus faibles qu’auparavant. La démonstration est décrite dans un nouvel article.
La structure du casque est techniquement un résonateur à anneau fendu, qui agit comme un métamatériau, un matériau conçu avec de nouvelles structures pour produire des propriétés inhabituelles. « Nous pouvons appeler cela une structure inspirée des métamatériaux », a déclaré Chris Holloway, chef de projet du NIST.
Les chercheurs du NIST ont précédemment démontré le récepteur radio atomique. Un capteur atomique a le potentiel d’être physiquement plus petit et de mieux fonctionner dans des environnements bruyants que les récepteurs radio conventionnels, entre autres avantages possibles.
La cellule à vapeur mesure environ 14 millimètres (mm) de long avec un diamètre de 10 mm, soit à peu près la taille d’un ongle ou d’une puce informatique, mais plus épaisse. La boucle aérienne du résonateur mesure environ 16 mm de côté et les oreillettes mesurent environ 12 mm de côté.
Le récepteur radio NIST repose sur un état particulier des atomes. Les chercheurs utilisent deux lasers de couleurs différentes pour préparer les atomes contenus dans la cellule à vapeur dans des états à haute énergie (« Rydberg »), qui ont de nouvelles propriétés telles qu’une sensibilité extrême aux champs électromagnétiques. La fréquence et l’intensité d’un champ électrique appliqué affectent les couleurs de la lumière absorbée par les atomes, ce qui a pour effet de convertir l’intensité du signal en une fréquence optique qui peut être mesurée avec précision.
Un signal radio appliqué au nouveau résonateur crée des courants dans la boucle aérienne, ce qui produit un flux magnétique ou une tension. Les dimensions de la structure en cuivre sont inférieures à la longueur d’onde du signal radio. En conséquence, ce petit espace physique entre les plaques métalliques a pour effet de stocker de l’énergie autour des atomes et d’améliorer le signal radio. Cela améliore l’efficacité des performances ou la sensibilité.
« La boucle capture le champ magnétique entrant, créant une tension à travers les lacunes », a déclaré Holloway. « Étant donné que la séparation de l’espace est petite, un grand champ électromagnétique est développé à travers l’espace. »
Les tailles de boucle et d’espace déterminent la fréquence naturelle, ou de résonance, de la structure en cuivre. Dans les expériences du NIST, l’écart était d’un peu plus de 10 mm, limité par le diamètre extérieur de la cellule à vapeur disponible. Les chercheurs ont utilisé un simulateur mathématique commercial pour déterminer la taille de la boucle nécessaire pour créer une fréquence de résonance proche de 1,312 gigahertz, où les atomes de Rydberg basculent entre les niveaux d’énergie.
Plusieurs collaborateurs extérieurs ont aidé à modéliser la conception du résonateur. La modélisation suggère que le signal pourrait être rendu 130 fois plus fort, alors que le résultat mesuré était à peu près centuple, probablement en raison des pertes d’énergie et des imperfections de la structure. Un écart plus petit produirait une plus grande amplification. Les chercheurs prévoient d’étudier d’autres modèles de résonateurs, des cellules à vapeur plus petites et des fréquences différentes.
Avec un développement ultérieur, les récepteurs à base d’atomes peuvent offrir de nombreux avantages par rapport aux technologies radio conventionnelles. Par exemple, les atomes agissent comme une antenne, et il n’y a pas besoin d’électronique traditionnelle qui convertit les signaux en différentes fréquences pour la livraison car les atomes font le travail automatiquement. Les récepteurs d’atomes peuvent être physiquement plus petits, avec des dimensions à l’échelle du micromètre. De plus, les systèmes à base d’atomes peuvent être moins sensibles à certains types d’interférences et de bruit.
Christopher L. Holloway et al, amélioration de la détection de champ basée sur les atomes de Rydberg à l’aide d’un résonateur à anneau fendu, Lettres de physique appliquée (2022). DOI : 10.1063/5.0088532