211service.com
Maak je klaar voor atomaire radio
Het basisontwerp van de radioantenne is in geen eeuw veranderd. De antenne is meestal een set metalen staven die ongeveer half zo groot zijn als de golflengte waarvoor ze zijn ontworpen. Het elektrische veld in een passerende radiogolf versnelt elektronen in deze staven, waarbij energie van de golf wordt omgezet in een kleine elektrische stroom die kan worden versterkt.
Maar natuurkundigen zouden heel graag antennes capabeler en veiliger willen maken. Het zou bijvoorbeeld goed zijn als eenvoudige antennes een groter bereik aan golflengten zouden kunnen ontvangen en beter bestand zouden zijn tegen elektromagnetische interferentie.
Voer David Anderson van Rydberg Technologies in Ann Arbor, Michigan, en een paar collega's in, die de antenne helemaal opnieuw hebben uitgevonden. Hun nieuwe apparaat werkt op een heel andere manier dan conventionele antennes, waarbij een laser wordt gebruikt om de manier te meten waarop radiosignalen interageren met bepaalde soorten atomen.
De geheime saus in het nieuwe apparaat zijn Rydberg-atomen. Dit zijn cesiumatomen waarin de buitenste elektronen zo opgewonden zijn dat ze op grote afstand om de kern draaien. Op deze afstanden liggen de potentiële energieniveaus van de elektronen extreem dicht bij elkaar, en dit geeft ze speciale eigenschappen. Inderdaad, elk klein elektrisch veld kan ze van het ene niveau naar het andere duwen.
Radiogolven bestaan uit afwisselende elektrische velden die gemakkelijk interageren met Rydberg-atomen die ze tegenkomen. Dit maakt ze potentiële sensoren.
Maar hoe deze interactie te detecteren? Een gas gemaakt van Rydberg-atomen heeft nog een eigenschap die nuttig blijkt te zijn: het kan transparant worden gemaakt door een laser die is afgestemd op een specifieke frequentie. Deze laser verzadigt in wezen het vermogen van het gas om licht te absorberen, waardoor een andere laserstraal er doorheen kan gaan.
De kritische frequentie waarmee dit gebeurt, hangt echter in belangrijke mate af van de eigenschappen van de Rydberg-atomen in het gas. Wanneer deze atomen een interactie aangaan met radiogolven, verandert de kritische frequentie als reactie.
Dat is de basis van de radiodetectie. Anderson en zijn collega's creëren een gas van cesiumatomen dat wordt geëxciteerd naar de staten van Rydberg. Vervolgens gebruiken ze een laser die is afgestemd op een specifieke frequentie om het gas transparant te maken.
Ten slotte laten ze een tweede laser door het gas schijnen en meten ze hoeveel licht er wordt geabsorbeerd, om te zien hoe de transparantie varieert met de radiogolven in de omgeving.
Het signaal van een eenvoudige lichtgevoelige fotodiode onthult vervolgens de manier waarop de radiosignalen frequentie- of amplitudegemoduleerd zijn.
En dat is het: een antenne bestaande uit een wolk van aangeslagen cesiumatomen, gezapt door laserlicht dat op tijd flikkert naar eventuele radiogolven in de omgeving. Ze noemen het atomaire radio.
Anderson en co hebben hun apparaat op de proef gesteld met behulp van magnetrons en zeggen dat het goed werkt. We demonstreren een op atomen gebaseerde ontvanger voor AM- en FM-microgolfcommunicatie, zeggen ze.
Een van de voordelen ten opzichte van conventionele antennes is het enorme scala aan signalen dat het kan detecteren - meer dan vier octaven van de C-band tot de Q-band, of golflengten van 2,5 tot 15 centimeter. De antenne zelf is een kleine dampcel die cesiumgas kan creëren en vasthouden dat in Rydberg-atomen wordt geëxciteerd.
Maar misschien wel het meest revolutionaire is dat de detectie geen gebruik maakt van conventionele radioschakelingen. De atomaire radiogolfontvanger werkt door directe realtime optische detectie van de atomaire respons op AM- en FM-basisbandsignalen, waardoor traditionele demodulatie- en signaalconditioneringselektronica niet nodig is, aldus Anderson en co.
Dat betekent dat het apparaat min of meer ongevoelig moet zijn voor het soort elektromagnetische interferentie dat conventionele antennes onbruikbaar kan maken.
Om het apparaat te testen, heeft het team het gebruikt om AM- en FM-microgolfsignalen te ontvangen van een opname van een menselijke stem die Mary Had a Little Lamb zingt. De gedemonstreerde atoomradio vertoont goede prestaties over de hele menselijke audioband, zeggen ze.
De nieuwe antenne is niet perfect. Het dynamische bereik is bijvoorbeeld iets minder dan normaal gesproken wordt verwacht via radio. Maar het team is optimistisch dat het aanzienlijk kan worden verbeterd.
Atoomradio's zijn onderweg.
Referentie: arxiv.org/abs/1808.08589 : Een atoomontvanger voor AM- en FM-radiocommunicatie