Koppar "hörlurar" ökar känsligheten hos NIST:s atomradiomottagare, som är sammansatt av en gas av cesiumatomer framställda i ett speciellt tillstånd inuti glasbehållaren. När en antenn ovanför installationen sänder ner en radiosignal ökar hörlurarna styrkan på den mottagna signalen hundra gånger. Kredit:NIST
Forskare vid National Institute of Standards and Technology (NIST) har ökat känsligheten hos sin atomradiomottagare hundra gånger genom att innesluta en liten glascylinder med cesiumatomer inuti vad som ser ut som anpassade koppar-"hörlurar".
Strukturen - en fyrkantig överliggande slinga som förbinder två fyrkantiga paneler - ökar den inkommande radiosignalen, eller det elektriska fältet, som appliceras på de gasformiga atomerna i kolven (känd som en ångcell) mellan panelerna. Denna förbättring gör det möjligt för radiomottagaren att upptäcka mycket svagare signaler än tidigare. Demonstrationen beskrivs i en ny tidning.
Hörlursstrukturen är tekniskt sett en resonator med delad ring, som fungerar som ett metamaterial - ett material konstruerat med nya strukturer för att producera ovanliga egenskaper. "Vi kan kalla det en metamaterial-inspirerad struktur," sa NIST-projektledaren Chris Holloway.
NIST-forskare har tidigare demonstrerat den atombaserade radiomottagaren. En atomsensor har potential att vara fysiskt mindre och fungera bättre i bullriga miljöer än konventionella radiomottagare, bland andra möjliga fördelar.
Ångcellen är cirka 14 millimeter (mm) lång med en diameter på 10 mm, ungefär lika stor som en fingernagel eller datorchip, men tjockare. Resonatorns överliggande ögla är cirka 16 mm på en sida, och öronskydden är cirka 12 mm på en sida.
NIST-radiomottagaren förlitar sig på ett speciellt tillstånd hos atomerna. Forskare använder två olika färglasrar för att förbereda atomer som finns i ångcellen till högenergitillstånd ("Rydberg"), som har nya egenskaper som extrem känslighet för elektromagnetiska fält. Frekvensen och styrkan hos ett anbringat elektriskt fält påverkar ljusets färger som absorberas av atomerna, och detta har effekten att omvandla signalstyrkan till en optisk frekvens som kan mätas exakt.
En radiosignal som appliceras på den nya resonatorn skapar strömmar i luftslingan, som producerar ett magnetiskt flöde, eller spänning. Dimensionerna på kopparstrukturen är mindre än radiosignalens våglängd. Som ett resultat har detta lilla fysiska gap mellan metallplattorna effekten av att lagra energi runt atomerna och förstärka radiosignalen. Detta ökar prestandaeffektiviteten eller känsligheten.
"Slingan fångar det inkommande magnetfältet och skapar en spänning över mellanrummen," sa Holloway. "Eftersom gapseparationen är liten utvecklas ett stort elektromagnetiskt fält över gapet."
Sling- och gapstorlekarna bestämmer den naturliga eller resonansfrekvensen för kopparstrukturen. I NIST-experimenten var gapet drygt 10 mm, begränsat av den tillgängliga ångcellens ytterdiameter. Forskarna använde en kommersiell matematisk simulator för att bestämma slingstorleken som behövs för att skapa en resonansfrekvens nära 1,312 gigahertz, där Rydberg-atomer växlar mellan energinivåer.
Flera externa medarbetare hjälpte till att modellera resonatordesignen. Modellering tyder på att signalen kan göras 130 gånger starkare, medan det uppmätta resultatet var ungefär hundra gånger, troligtvis på grund av energiförluster och brister i strukturen. Ett mindre gap skulle ge större förstärkning. Forskarna planerar att undersöka andra resonatorkonstruktioner, mindre ångceller och olika frekvenser.
Med vidareutveckling kan atombaserade mottagare erbjuda många fördelar jämfört med konventionell radioteknik. Atomerna fungerar till exempel som antenn, och det behövs ingen traditionell elektronik som omvandlar signaler till olika frekvenser för leverans eftersom atomerna gör jobbet automatiskt. Atommottagarna kan vara fysiskt mindre, med dimensioner i mikrometerskala. Dessutom kan atombaserade system vara mindre mottagliga för vissa typer av störningar och brus. + Utforska vidare
