In de laatste decennia, mobiele telefoons en andere draadloze apparaten zijn centrale kenmerken van het leven over de hele wereld geworden. Deze apparaten stralen verschillende hoeveelheden elektromagnetische energie uit en projecteren zo elektrische velden in de omringende ruimte. Het is van cruciaal belang voor het ontwerp en de inzet van deze apparaten dat ze nauwkeurige en traceerbare metingen hebben voor elektrische velden en uitgestraald vermogen. Tot voor kort, echter, het was niet mogelijk om zelfkalibrerende sondes te bouwen die onafhankelijke en absolute metingen van deze elektrische veldwaarden konden genereren.

"Bestaande elektrische veldsondes vertrouwen op een kalibratieproces dat een soort kip-en-ei-dilemma vormt, " zei Christopher L. Holloway, een wetenschapper aan het National Institute of Standards and Technology. "Om een ​​sonde te kalibreren, we moeten een bekend veld gebruiken. Maar om een ​​bekend veld te hebben, we moeten een gekalibreerde sonde gebruiken."

Om dit probleem aan te pakken, Holloway en zijn collega's hebben een nieuwe methode ontwikkeld om elektrische velden te meten en een nieuwe sonde om dergelijke metingen uit te voeren. Ze delen hun werk deze week in de Tijdschrift voor Toegepaste Natuurkunde .

"De basis voor onze methodologie is een goed bestudeerde techniek genaamd 'Electromagnetically Induced Transparency' (EIT). EIT omvat een medium dat normaal licht absorbeert, en gebruikt een systeem van twee lasers die zijn afgestemd op de overgang tussen toestanden van de atomen in het medium om het medium transparant te maken, ' zei Holloway.

"Een van onze belangrijkste innovaties omvat opwindende alkaliatomen in een medium tot een Rydberg, of hoge energie, staat. Onder die omstandigheden, een elektrisch veld met radiofrequentie kan worden gebruikt om de atomen te prikkelen naar de volgende atomaire overgangstoestand, waardoor het EIT-signaal in tweeën wordt gesplitst, "zei Holloway. "De splitsing van het EIT-signaalspectrum is gemakkelijk te meten en is recht evenredig met de toegepaste amplitude van het radiofrequentie-elektrische veld."

Het netto resultaat is dat de sterkte van een elektrisch veld kan worden berekend door de frequentie met een hoge mate van nauwkeurigheid te meten en door gebruik te maken van de constante van Planck, die binnenkort door het Internationale Stelsel van Eenheden (SI) als een gedefinieerde eenheid zal worden erkend. Als een uitvloeisel, deze meettechniek heeft een direct SI-traceerbaarheidspad, een belangrijk kenmerk voor internationale metrologische organisaties. Het zou ook als zelfkalibrerend worden beschouwd omdat het gebaseerd is op atomaire resonanties.

Naast deze methodologische verbeteringen, de nieuwe techniek belooft de reikwijdte van elektrische velden die kunnen worden gemeten drastisch uit te breiden.

"Momenteel, er is geen manier om gekalibreerde metingen uit te voeren van elektrische velden met frequenties hoger dan 110 GHz, " Zei Holloway. "Deze nieuwe techniek lost dit probleem op en kan de gekalibreerde meting van elektrische velden met frequenties zo groot als één terahertz mogelijk maken. Deze uitgebreide bandbreedte zal relevant zijn voor toekomstige generaties draadloze mobiele telecommunicatiesystemen."

"Een ander belangrijk voordeel is dat het een zeer kleine ruimtelijke resolutie mogelijk maakt bij het afbeelden van microgolven. het moet beeldvorming mogelijk maken van microgolfveldverdelingen met een resolutie in de orde van optische golflengten, vele orden van grootte kleiner dan microgolfgolflengten. Dit kan met name nuttig zijn voor het meten van elektrische velden in biomedische gebieden, ' zei Holloway.

Holloway en zijn collega's hebben een sonde ontworpen die bestaat uit een vezelgekoppelde dampcel die kan worden gebruikt om elektrische velden te meten met deze nieuwe techniek. Vooruit gaan, ze zijn van plan om samen met andere medewerkers te werken aan het miniaturiseren van de technologie.