“Tai nghe” bằng đồng tùy chỉnh Tăng khả năng tiếp nhận sóng vô tuyến nguyên tử 100x

“Tai nghe” bằng đồng làm tăng độ nhạy của máy thu vô tuyến nguyên tử của NIST, được cấu tạo từ khí nguyên tử xêzi được điều chế ở trạng thái đặc biệt bên trong hộp thủy tinh. Khi một ăng-ten nằm phía trên thiết lập gửi tín hiệu radio xuống, tai nghe sẽ tăng cường độ tín hiệu nhận được lên gấp trăm lần. Tín dụng: NIST

Các nhà khoa học tại Viện Tiêu chuẩn và Công nghệ Quốc gia (NIST) đã tăng độ nhạy của máy thu thanh nguyên tử lên gấp trăm lần bằng cách bao bọc hình trụ thủy tinh nhỏ chứa các nguyên tử cesium bên trong thứ trông giống như “tai nghe” bằng đồng tùy chỉnh.

Cấu trúc – một vòng tròn trên không hình vuông nối hai tấm hình vuông – tăng cường tín hiệu vô tuyến đến, hoặc điện trường, được áp dụng cho các nguyên tử khí trong bình (được gọi là ô hơi) giữa các tấm. Cải tiến này cho phép máy thu thanh phát hiện các tín hiệu yếu hơn nhiều so với trước đây. Cuộc biểu tình được mô tả trong một bài báo mới được xuất bản trên tạp chí Applied Physics Letters .

Về mặt kỹ thuật, cấu trúc tai nghe là một bộ cộng hưởng vòng chia, hoạt động giống như một siêu vật liệu – một vật liệu được thiết kế với các cấu trúc mới để đạt được các đặc tính khác thường. “Chúng tôi có thể gọi nó là một cấu trúc lấy cảm hứng từ siêu vật liệu,” trưởng dự án NIST Chris Holloway cho biết.

Các nhà nghiên cứu tại NIST trước đây đã chứng minh máy thu thanh dựa trên nguyên tử . Cảm biến nguyên tử có khả năng nhỏ hơn về mặt vật lý và hoạt động tốt hơn trong môi trường ồn ào hơn so với các máy thu vô tuyến thông thường, trong số những lợi thế có thể có khác.

Tế bào hơi dài khoảng 14 mm (0,55 inch) với đường kính 10 mm (0,39 inch), gần bằng móng tay hoặc chip máy tính, nhưng dày hơn. Vòng trên đầu của bộ cộng hưởng là khoảng 16 mm (0,63 inch) ở một bên và các nắp tai khoảng 12 mm (0,47 inch) ở một bên.

Máy thu thanh NIST dựa vào trạng thái đặc biệt của các nguyên tử. Các nhà nghiên cứu sử dụng hai tia laser có màu sắc khác nhau để điều chế các nguyên tử chứa trong tế bào hơi thành trạng thái năng lượng cao (“Rydberg”), có các đặc tính mới như cực nhạy với trường điện từ. Tần số và cường độ của điện trường ảnh hưởng đến màu sắc của ánh sáng được các nguyên tử hấp thụ và điều này có tác dụng chuyển đổi cường độ tín hiệu thành tần số quang học có thể đo được chính xác.

Tín hiệu vô tuyến được áp dụng cho bộ cộng hưởng mới tạo ra dòng điện trong vòng lặp trên không, tạo ra từ thông hoặc điện áp. Kích thước của cấu trúc đồng nhỏ hơn bước sóng của tín hiệu vô tuyến. Kết quả là, khoảng cách vật lý nhỏ này giữa các tấm kim loại có tác dụng lưu trữ năng lượng xung quanh các nguyên tử và tăng cường tín hiệu vô tuyến. Điều này tăng hiệu quả hoạt động hoặc độ nhạy.

Holloway nói: “Vòng lặp thu nhận từ trường tới, tạo ra điện áp xuyên qua các khe hở. “Vì khoảng cách khoảng cách là nhỏ, một trường điện từ lớn được phát triển trên khoảng cách.”

Kích thước vòng lặp và khe hở xác định tần số tự nhiên hoặc cộng hưởng của cấu trúc đồng. Trong các thí nghiệm của NIST, khoảng trống chỉ hơn 10 mm, được giới hạn bởi đường kính bên ngoài của ô hơi có sẵn. Các nhà nghiên cứu đã sử dụng một trình mô phỏng toán học thương mại để xác định kích thước vòng lặp cần thiết để tạo ra một tần số cộng hưởng gần 1.312 gigahertz, nơi các nguyên tử Rydberg chuyển đổi giữa các mức năng lượng.

Một số cộng tác viên bên ngoài đã giúp lập mô hình thiết kế bộ cộng hưởng. Mô hình hóa cho thấy tín hiệu có thể được tạo ra mạnh hơn 130 lần, trong khi kết quả đo được gần gấp trăm lần, có thể là do tổn thất năng lượng và sự không hoàn hảo trong cấu trúc. Một khoảng cách nhỏ hơn sẽ tạo ra sự khuếch đại lớn hơn. Các nhà nghiên cứu có kế hoạch điều tra các thiết kế máy cộng hưởng khác, các ô hơi nhỏ hơn và các tần số khác nhau.

Với sự phát triển hơn nữa, máy thu dựa trên nguyên tử có thể mang lại nhiều lợi ích so với các công nghệ vô tuyến thông thường. Ví dụ, các nguyên tử hoạt động như một ăng-ten, và không cần thiết bị điện tử truyền thống chuyển đổi tín hiệu sang các tần số khác nhau để phân phối vì các nguyên tử thực hiện công việc một cách tự động. Máy thu nguyên tử có thể nhỏ hơn về mặt vật lý, với kích thước cỡ micromet. Ngoài ra, các hệ thống dựa trên nguyên tử có thể ít bị ảnh hưởng bởi một số loại nhiễu và nhiễu.

Tham khảo: “Tăng cường cảm biến trường dựa trên nguyên tử Rydberg sử dụng bộ cộng hưởng vòng chia đôi” của Christopher L. Holloway, Nikunjkumar Prajapati, Alexandra B. Artusio-Glimpse, Samuel Berweger, Matthew T. Simons, Yoshiaki Kasahara, Andrea Alù và Richard W. Ziolkowsk, ngày 5 tháng 5 năm 2022, Thư vật lý ứng dụng .
DOI: 10.1063 / 5.0088532

Nghiên cứu được tài trợ một phần bởi Cơ quan Dự án Nghiên cứu Tiên tiến Quốc phòng và chương trình NIST on a Chip. Các cộng tác viên từ Đại học Texas, Austin đã cung cấp hỗ trợ về mô hình hóa; Đại học Thành phố New York, NY; và Đại học Công nghệ Sydney, Úc.

Theo Scitechdaily