Los físicos de los Estados Unidos crearon una configuración de radio atómica en el laboratorio, que utiliza átomos de Rydberg iluminados por dos pares de láseres en lugar de antenas, y realizó la primera transmisión experimental del mundo de una composición de música estéreo usando una onda de radio AM.
Resumen del experimentoHace cinco años, se demostró que los receptores sensibles de radiación electromagnética se pueden hacer en base a los átomos de Rydberg.
Los átomos de Rydberg son átomos excitados cuyos electrones externos están en niveles de energía extremadamente altos, y en este estado estos átomos reaccionan muy bruscamente a cambios débiles en un campo eléctrico externo.En 2019, un experimento más complejo ya se completó con éxito, para lo cual se creó una configuración especial de laboratorio en forma de un recipiente con gas de los átomos de Rydberg, iluminado por dos fuentes láser con diferentes longitudes de onda.
Cuando las ondas de radio pasaron a través de la capacitancia, el espectro de absorción de los átomos de Rydberg comenzó a cambiar, y estos cambios se registraron con láser. Por lo tanto, la instalación funcionó como un receptor de ondas de radio AM de cierta frecuencia.
Como componentes de la instalación, se utilizaron átomos de cesio 133 y rubidio 87.
La calidad de la señal recibida con la ayuda de tal configuración resultó ser bastante buena en tal experimento.Una descripción más detallada del experimento.Como se describió anteriormente, el
átomo de Rydberg es un
átomo altamente excitado, cuyo electrón externo se ha elevado a un nivel de energía muy alto.
Como regla, el número cuántico principal de este nivel es n ~ 100.
Las propiedades del átomo de Rydberg dependen en gran medida del número n:
- la vida útil de un átomo aumenta rápidamente con el aumento de ny es proporcional a n ^ 3;
- el momento dipolar crece como n ^ 2;
- la polarización aumenta a medida que n ^ 7.
Por lo tanto, cuanto más fuerte se excita el átomo de Rydberg, más tiempo vive y más fuerte se siente un campo eléctrico externo.
Además, junto con el número n aumenta:
- radio de un solo átomo (R ~ n ^ 6);
- longitud característica de la interacción de dos átomos (L ~ n ^ 4).
Por ejemplo , el radio de un átomo de hidrógeno con n = 1000 es aproximadamente 5x10 ^ (- 2) mm, y su vida útil alcanza un segundo.
Teóricamente, tales propiedades hacen posible convertir los átomos de Rydberg en receptores sensibles de ondas electromagnéticas.
De hecho, debido al gran momento dipolar, tales átomos deberían sentir muy bien los débiles cambios en el campo eléctrico que acompañan a la onda electromagnética.
Por lo tanto, si monitorea constantemente el estado del átomo, por ejemplo, al resaltarlo con un láser, puede restaurar la amplitud de la onda y la señal que transporta.
La teoría es teoría, pero se necesitan experimentos.
Por primera vez, se propuso la idea de crear una instalación de este tipo (la primera versión de una radio atómica completamente simplificada) en 2014, al mismo tiempo que el primer experimento fue realizado con éxito por un grupo de físicos dirigido por Christopher Holloway, demostrando cálculos teóricos en la realidad.
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Enlace al artículoDiseño de experimento:
Esquema de instalación:
Modelado de la amplitud del campo eléctrico:
Comparación de datos calculados y recibidos:
Después de este primer experimento, las mejoras en la configuración experimental comenzaron a mejorar sus parámetros y ampliar sus capacidades: para obtener datos adicionales, por ejemplo, fue posible medir la fase de un incidente de onda de radio en un gas atómico.
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Diseño de experimento:
Datos recibidos:
Y ahora, después de que se descubrieron los elementos principales de la radio atómica, queda ahora ensamblar una instalación más compleja y funcional, con la que pueda escuchar música y transmisiones de radio.
Y en la nueva instalación agregaron soporte para sonido estéreo, cuyos diferentes canales son transportados por ondas de radio AM con diferentes frecuencias portadoras.
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Enlace al artículo completo sobre este experimento
Esquema de la nueva instalación:
La base de la nueva configuración experimental es una cavidad llena de átomos de Rydberg y transmitida a través de dos láseres con diferentes longitudes de onda.
Uno de los láseres ("unión") asegura la coherencia de los átomos del receptor, y el segundo láser ("sondeo") extrae información de él.
Debido a la sintonización correcta del láser de "unión" en reposo, los átomos del receptor son transparentes para el láser de "sonda".
En este caso, la transparencia se logra solo en un rango de frecuencia estrecho, por lo que el láser "sonda" debe estar muy limpio. Si una onda de radio pasa a través del receptor, el espectro de absorción de los átomos se desplaza y la radiación láser comienza a absorberse.
Cuanto mayor es la amplitud de onda, mayor es la pérdida. Por lo tanto, dicha cavidad actúa como un receptor que recibe ondas de radio AM con una frecuencia portadora específica.
Para lograr el efecto del sonido estéreo, en el experimento, la cavidad se llenó inmediatamente con dos tipos de átomos de Rydberg, cada uno de los cuales trabajó independientemente con su propio láser de "unión" y "sonda".
El cesio 133 y el rubidio 87, que recibieron ondas con una frecuencia portadora de 19,623 GHz y 20,644 GHz, fueron elegidos como tales átomos.
Las señales de los láseres de "sonda" se enviaron a una computadora y se procesaron usando el programa gratuito Audacity.
Para probar el funcionamiento de la radio AM atómica estéreo, se le transmitió una melodía improvisada en A-menor, que se realizó en dos guitarras (eléctricas y acústicas con una pastilla).
Las señales tomadas de las guitarras fueron enviadas a los amplificadores, convertidas a una forma modulada en amplitud usando generadores de señales y transmitidas usando dos antenas de bocina.
La señal de la guitarra acústica se transmitió a una frecuencia de 19.623 GHz, y la señal de una guitarra eléctrica a una frecuencia de 20.644 GHz.
Ambas antenas de bocina se ubicaron a una distancia de aproximadamente 15 centímetros de la cavidad llena de átomos de Rydberg.
Señal recibida:
La calidad de la señal reconstruida resultó ser bastante aceptable: a pesar de una ligera interferencia, que se parecía al crepitar de un disco de vinilo, la música era muy clara.
El registro de la señal recibida se publicó en
acceso abierto aquí .
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Escuchala en línea aquí
Por lo tanto, los físicos en su nuevo trabajo sobre música pudieron demostrar que la física cuántica puede ser no solo compleja, sino también interesante.