Questa figura mostra una tipica configurazione sperimentale durante l'esecuzione della misurazione del campo elettrico tracciabile SI basata sull'atomo. In questa configurazione, la cella di vapore è confinata al tavolo ottico. Credito:NIST
Negli ultimi decenni, i telefoni cellulari e altri dispositivi wireless sono diventati elementi centrali della vita in tutto il mondo. Questi dispositivi irradiano quantità variabili di energia elettromagnetica e quindi proiettano campi elettrici nello spazio circostante. È fondamentale per la progettazione e l'implementazione di questi dispositivi che dispongano di misurazioni accurate e tracciabili per i campi elettrici e la potenza irradiata. Fino a poco tempo fa, però, non è stato possibile costruire sonde autocalibranti che potessero generare misure indipendenti e assolute di questi valori di campo elettrico.
"Le sonde di campo elettrico esistenti si basano su un processo di calibrazione che pone una sorta di dilemma dell'uovo e della gallina, " ha detto Christopher L. Holloway, uno scienziato presso il National Institute of Standards and Technology. "Per calibrare una sonda, dobbiamo usare un campo noto. Ma per avere un campo conosciuto, dobbiamo usare una sonda calibrata."
Per affrontare questo problema, Holloway ei suoi colleghi hanno sviluppato un nuovo metodo per misurare i campi elettrici e una nuova sonda per effettuare tali misurazioni. Condividono il loro lavoro questa settimana nel Rivista di fisica applicata .
"La base della nostra metodologia è una tecnica ben studiata chiamata 'Electromagnetically Induced Transparency' (EIT). L'EIT coinvolge un mezzo che normalmente assorbe la luce, e utilizza un sistema di due laser sintonizzati sulla transizione tra gli stati degli atomi nel mezzo per rendere il mezzo trasparente, "Ha detto Holloway.
"Una delle nostre innovazioni chiave coinvolge eccitanti atomi alcalini in un mezzo per un Rydberg, o ad alta energia, stato. In tali circostanze, un campo elettrico a radiofrequenza può essere utilizzato per eccitare gli atomi al successivo stato di transizione atomica, facendo sì che il segnale EIT si divida in due, " ha detto Holloway. "La suddivisione dello spettro del segnale EIT è facilmente misurabile ed è direttamente proporzionale all'ampiezza del campo elettrico a radiofrequenza applicata".
Foto della prima cella a vapore accoppiata a fibra per misurazioni di campi elettrici. La testina del sensore accoppiata in fibra (cioè, la cella a vapore) può essere rimosso dal tavolo ottico per facilità d'uso, che è utile nelle misurazioni dell'intensità di campo, e per applicazioni di imaging in campo vicino ea lunghezza d'onda inferiore. Credito:NIST
Il risultato netto è che l'intensità di un campo elettrico può essere calcolata misurando la frequenza con un alto grado di precisione e utilizzando la costante di Planck, che sarà presto riconosciuta come unità definita dal Sistema Internazionale di Unità (SI). Come corollario, questa tecnica di misura ha un percorso di tracciabilità SI diretto, una caratteristica importante per le organizzazioni internazionali di metrologia. Sarebbe anche considerato autocalibrante perché basato su risonanze atomiche.
Al di là di questi miglioramenti metodologici, la nuova tecnica promette di espandere notevolmente la portata dei campi elettrici che possono essere misurati.
"Attualmente, non c'è modo di eseguire misurazioni calibrate di campi elettrici con frequenze che superano i 110 GHz, " Ha detto Holloway. "Questa nuova tecnica risolve questo problema e può consentire la misurazione calibrata di campi elettrici con frequenze grandi come un terahertz. Questa larghezza di banda ampliata sarà rilevante per le future generazioni di sistemi di telecomunicazione mobile wireless".
"Un altro importante vantaggio è che consente una risoluzione spaziale molto ridotta durante l'imaging di microonde. In linea di principio, dovrebbe consentire l'imaging delle distribuzioni del campo a microonde con una risoluzione dell'ordine delle lunghezze d'onda ottiche, molti ordini di grandezza inferiori alle lunghezze d'onda delle microonde. Ciò potrebbe essere particolarmente utile per la misurazione dei campi elettrici in ambito biomedico, "Ha detto Holloway.
Holloway e i suoi colleghi hanno progettato una sonda costituita da una cella di vapore accoppiata a fibre che può essere utilizzata per misurare i campi elettrici con questa nuova tecnica. Andando avanti, intendono lavorare con altri collaboratori alla miniaturizzazione della tecnologia.
