Onderzoekers van het National Institute of Standards and Technology (NIST) hebben de gevoeligheid van hun atomaire radio-ontvanger honderdvoudig verhoogd door een kleine glazen cilinder van cesiumatomen te omsluiten in wat lijkt op een op maat gemaakte koperen 'koptelefoon'.

De structuur - een vierkante lus die twee vierkante panelen met elkaar verbindt - verhoogt het binnenkomende radiosignaal, of elektrisch veld, dat wordt toegepast op de gasvormige atomen in de kolf (bekend als een dampcel) tussen de panelen. Door deze verbetering kan de radio-ontvanger veel zwakkere signalen detecteren dan voorheen. De demonstratie wordt beschreven in een nieuw artikel.

De structuur van de hoofdtelefoon is technisch gezien een gesplitste ringresonator, die werkt als een metamateriaal - een materiaal dat is ontworpen met nieuwe structuren om ongebruikelijke eigenschappen te produceren. "We kunnen het een op metamaterialen geïnspireerde structuur noemen", zei NIST-projectleider Chris Holloway.

NIST-onderzoekers demonstreerden eerder de op atomen gebaseerde radio-ontvanger. Een atomaire sensor heeft het potentieel om fysiek kleiner te zijn en beter te werken in lawaaierige omgevingen dan conventionele radio-ontvangers, naast andere mogelijke voordelen.

De dampcel is ongeveer 14 millimeter (mm) lang met een diameter van 10 mm, ongeveer zo groot als een vingernagel of computerchip, maar dan dikker. De bovenliggende lus van de resonator is ongeveer 16 mm aan een kant en de oorkappen zijn ongeveer 12 mm aan een kant.

De NIST-radio-ontvanger vertrouwt op een speciale toestand van de atomen. Onderzoekers gebruiken twee verschillende kleurenlasers om atomen in de dampcel voor te bereiden in hoogenergetische ("Rydberg") toestanden, die nieuwe eigenschappen hebben, zoals extreme gevoeligheid voor elektromagnetische velden. De frequentie en sterkte van een aangelegd elektrisch veld beïnvloedt de kleuren van het licht dat door de atomen wordt geabsorbeerd, en dit heeft als effect dat de signaalsterkte wordt omgezet in een optische frequentie die nauwkeurig kan worden gemeten.

Een radiosignaal dat op de nieuwe resonator wordt toegepast, creëert stromen in de bovenliggende lus, die een magnetische flux of spanning produceert. De afmetingen van de koperen structuur zijn kleiner dan de golflengte van het radiosignaal. Als gevolg hiervan heeft deze kleine fysieke opening tussen de metalen platen het effect van het opslaan van energie rond de atomen en het versterken van het radiosignaal. Dit verhoogt de prestatie-efficiëntie of gevoeligheid.

"De lus vangt het inkomende magnetische veld op en creëert een spanning over de gaten," zei Holloway. "Omdat de spleetscheiding klein is, wordt er een groot elektromagnetisch veld over de spleet ontwikkeld."

De lus- en spleetgroottes bepalen de natuurlijke of resonantiefrequentie van de koperstructuur. In de NIST-experimenten was de opening iets meer dan 10 mm, beperkt door de buitendiameter van de beschikbare dampcel. De onderzoekers gebruikten een commerciële wiskundige simulator om de lusgrootte te bepalen die nodig is om een ​​resonantiefrequentie te creëren in de buurt van 1,312 gigahertz, waarbij Rydberg-atomen schakelen tussen energieniveaus.

Verschillende externe medewerkers hebben geholpen bij het modelleren van het ontwerp van de resonator. Modellering suggereert dat het signaal 130 keer sterker kan worden gemaakt, terwijl het gemeten resultaat ongeveer honderdvoudig was, waarschijnlijk als gevolg van energieverliezen en onvolkomenheden in de structuur. Een kleinere opening zou een grotere versterking opleveren. De onderzoekers zijn van plan om andere resonatorontwerpen, kleinere dampcellen en andere frequenties te onderzoeken.

Met verdere ontwikkeling kunnen op atoom gebaseerde ontvangers veel voordelen bieden ten opzichte van conventionele radiotechnologieën. De atomen fungeren bijvoorbeeld als antenne en er is geen behoefte aan traditionele elektronica die signalen omzet naar verschillende frequenties voor levering, omdat de atomen het werk automatisch doen. De atoomontvangers kunnen fysiek kleiner zijn, met afmetingen op micrometerschaal. Bovendien kunnen op atomen gebaseerde systemen minder gevoelig zijn voor bepaalde soorten interferentie en ruis. + Verder verkennen

NIST-demo voegt belangrijke mogelijkheden toe aan op atoom gebaseerde radiocommunicatie