Le "cuffie" in rame aumentano la sensibilità del ricevitore radio atomico del NIST, che è composto da un gas di atomi di cesio preparato in uno stato speciale all'interno del contenitore di vetro. Quando un'antenna situata sopra la configurazione invia un segnale radio, le cuffie aumentano di cento volte la potenza del segnale ricevuto. Credito:NIST
I ricercatori del National Institute of Standards and Technology (NIST) hanno centuplicato la sensibilità del loro ricevitore radio atomico racchiudendo un piccolo cilindro di vetro di atomi di cesio all'interno di quelle che sembrano "cuffie" personalizzate in rame.
La struttura, un circuito sospeso quadrato che collega due pannelli quadrati, aumenta il segnale radio in ingresso, o campo elettrico, applicato agli atomi gassosi nel pallone (noto come cella di vapore) tra i pannelli. Questo miglioramento consente al ricevitore radio di rilevare segnali molto più deboli rispetto a prima. La dimostrazione è descritta in un nuovo documento.
La struttura delle cuffie è tecnicamente un risuonatore ad anello diviso, che agisce come un metamateriale, un materiale progettato con nuove strutture per produrre proprietà insolite. "Possiamo chiamarla una struttura ispirata ai metamateriali", ha detto il leader del progetto NIST Chris Holloway.
I ricercatori del NIST hanno precedentemente dimostrato il ricevitore radio basato su atomi. Un sensore atomico ha il potenziale per essere fisicamente più piccolo e funzionare meglio in ambienti rumorosi rispetto ai ricevitori radio convenzionali, tra gli altri possibili vantaggi.
La cella di vapore è lunga circa 14 millimetri (mm) con un diametro di 10 mm, all'incirca le dimensioni di un'unghia o di un chip di computer, ma più spessa. L'anello sopraelevato del risuonatore è di circa 16 mm su un lato e le coperture per le orecchie sono di circa 12 mm su un lato.
Il ricevitore radio NIST si basa su uno stato speciale degli atomi. I ricercatori utilizzano due diversi laser a colori per preparare gli atomi contenuti nella cella di vapore in stati ad alta energia ("Rydberg"), che hanno nuove proprietà come l'estrema sensibilità ai campi elettromagnetici. La frequenza e l'intensità di un campo elettrico applicato influiscono sui colori della luce assorbita dagli atomi e questo ha l'effetto di convertire l'intensità del segnale in una frequenza ottica che può essere misurata con precisione.
Un segnale radio applicato al nuovo risonatore crea correnti nel circuito aereo, che produce un flusso magnetico, o tensione. Le dimensioni della struttura in rame sono inferiori alla lunghezza d'onda del segnale radio. Di conseguenza, questo piccolo spazio fisico tra le piastre metalliche ha l'effetto di immagazzinare energia attorno agli atomi e di migliorare il segnale radio. Ciò aumenta l'efficienza delle prestazioni o la sensibilità.
"Il circuito cattura il campo magnetico in ingresso, creando una tensione attraverso gli spazi vuoti", ha detto Holloway. "Poiché la separazione del gap è piccola, si sviluppa un ampio campo elettromagnetico attraverso il gap."
Le dimensioni del loop e del gap determinano la frequenza naturale o risonante della struttura in rame. Negli esperimenti NIST il divario era di poco superiore a 10 mm, limitato dal diametro esterno della cella di vapore disponibile. I ricercatori hanno utilizzato un simulatore matematico commerciale per determinare la dimensione del loop necessaria per creare una frequenza di risonanza vicina a 1,312 gigahertz, in cui gli atomi di Rydberg passano da un livello di energia all'altro.
Diversi collaboratori esterni hanno aiutato a modellare il design del risonatore. La modellazione suggerisce che il segnale potrebbe essere reso 130 volte più forte, mentre il risultato misurato era circa cento volte, probabilmente a causa di perdite di energia e imperfezioni nella struttura. Un divario più piccolo produrrebbe una maggiore amplificazione. I ricercatori hanno in programma di studiare altri modelli di risonatore, celle di vapore più piccole e frequenze diverse.
Con un ulteriore sviluppo, i ricevitori basati su atomi possono offrire molti vantaggi rispetto alle tecnologie radio convenzionali. Ad esempio, gli atomi fungono da antenna e non è necessaria l'elettronica tradizionale che converta i segnali a frequenze diverse per l'erogazione perché gli atomi svolgono il lavoro automaticamente. I ricevitori atomici possono essere fisicamente più piccoli, con dimensioni micrometriche. Inoltre, i sistemi basati su atomi possono essere meno suscettibili ad alcuni tipi di interferenza e rumore. + Esplora ulteriormente
