الراديو الذري - أول بث موسيقي على الإطلاق

ابتكر الفيزيائيون من الولايات المتحدة تجهيزات الراديو الذري في المختبر ، الذي يستخدم ذرات ريدبرغ المضاءة بواسطة زوجين من الليزر بدلاً من الهوائيات ، وأجرى أول انتقال تجريبي في العالم لتكوين موسيقى استريو باستخدام موجة راديو AM.

ملخص التجربة

قبل خمس سنوات ، ثبت أن أجهزة الاستقبال الحساسة للإشعاع الكهرومغناطيسي يمكن تصنيعها على أساس ذرات ريدبرغ.

ذرات ريدبرغ هي ذرات متحمس لها إلكترونات خارجية بمستويات طاقة عالية للغاية ، وفي هذه الحالة تتفاعل هذه الذرات بشكل حاد للغاية مع التغيرات الضعيفة في مجال كهربائي خارجي.

في عام 2019 ، تم إجراء تجربة أكثر تعقيدًا بنجاح ، حيث تم إنشاء تجهيزات معملية خاصة في شكل حاوية بها غاز من ذرات Rydberg ، مضاءة بواسطة مصدرين من مصادر إشعاع الليزر بأطوال موجية مختلفة.

عندما تم تمرير موجات الراديو عبر السعة ، بدأ طيف الامتصاص لذرات Rydberg في التحول ، وتم تسجيل هذه التغييرات باستخدام الليزر. وهكذا ، كان التثبيت يعمل كمستقبل لموجات الراديو AM ذات تردد معين.

كمكونات للتركيب ، تم استخدام ذرات السيزيوم -13 والروبيديوم -87.

تبين أن جودة الإشارة المستلمة بمساعدة مثل هذا الإعداد كانت جيدة جدًا في مثل هذه التجربة.

وصف أكثر تفصيلا للتجربة

كما هو موضح سابقًا ، فإن ذرة Rydberg هي ذرة متحمسة للغاية ، حيث ارتفع الإلكترون الخارجي إلى مستوى طاقة مرتفع للغاية.

وكقاعدة عامة ، فإن العدد الكمي الرئيسي لهذا المستوى هو n ~ 100.

تعتمد خصائص ذرة Rydberg بشدة على الرقم n:

• يزداد عمر الذرة بسرعة مع زيادة n ويتناسب مع n ^ 3 ؛
• تنمو اللحظة ثنائية القطب مثل n ^ 2؛
• يزيد الاستقطاب كـ n ^ 7.

وبالتالي ، كلما كانت ذرة Rydberg أقوى متحمسًا ، كلما طال عمرها وشعورها بمجال كهربائي خارجي.

بالإضافة إلى ذلك ، بالإضافة إلى زيادة عدد n:

• نصف قطر ذرة واحدة (R ~ n ^ 6) ؛
• الطول المميز للتفاعل بين ذرتين (L ~ n ^ 4).

على سبيل المثال ، يبلغ نصف قطر ذرة الهيدروجين مع n = 1000 حوالي 5 × 10 ^ (- 2) مم ، ويصل عمرها إلى ثانية واحدة.

نظريا ، هذه الخصائص تجعل من الممكن تحويل ذرات ريدبرغ إلى مستقبلات حساسة من الموجات الكهرومغناطيسية.

في الواقع ، نظرًا للحظة الكبيرة ثنائية القطب ، يجب أن تشعر هذه الذرات جيدًا بالتغيرات الضعيفة في المجال الكهربائي المصاحب للموجة الكهرومغناطيسية.

لذلك ، إذا كنت تراقب باستمرار حالة الذرة ، على سبيل المثال ، مع تسليط الضوء عليها بالليزر ، فيمكنك استعادة سعة الموجة والإشارة التي تحملها.

النظرية نظرية ، ولكن هناك حاجة للتجارب.

لأول مرة ، تم اقتراح فكرة إنشاء مثل هذا التثبيت (الإصدار الأول من راديو ذري مبسط تمامًا) في عام 2014 ، وفي الوقت نفسه أجريت التجربة الأولى بنجاح من قبل مجموعة من الفيزيائيين بقيادة كريستوفر هولواي ، مما يثبت الحسابات النظرية في الواقع.



→ رابط لهذه المادة

تصميم التجربة:



مخطط التثبيت:



نمذجة سعة المجال الكهربائي:



مقارنة البيانات المحسوبة والمستلمة:





بعد هذه التجربة الأولى ، بدأت التحسينات في الإعداد التجريبي في تحسين معالمها وتوسيع قدراتها - للحصول على بيانات إضافية ، على سبيل المثال ، كان من الممكن قياس مرحلة حادث الموجة الراديوية على غاز ذري.

→ رابط لهذه المادة



تصميم التجربة:





البيانات المستلمة:









والآن ، بعد اكتشاف العناصر الرئيسية للراديو الذري ، يظل الآن تجميعًا أكثر تعقيدًا وعملًا ، حيث يمكنك الاستماع إلى الموسيقى والبث الإذاعي.

وفي التثبيت الجديد ، أضافوا دعمًا لصوت الاستريو ، حيث يتم حمل قنوات مختلفة بواسطة موجات راديو AM بترددات حاملة مختلفة.

→ رابط للمقال الكامل عن هذه التجربة



مخطط التثبيت الجديد:



أساس الإعداد التجريبي الجديد هو تجويف مليء ذرات Rydberg وينتقل عن طريق اثنين من الليزر بأطوال موجية مختلفة.

يضمن أحد أشعة الليزر ("الربط") تماسك ذرات المستقبل ، ويستخرج الليزر الثاني ("التحقيق") المعلومات منه.

نظرًا للتوليف الصحيح لليزر "الملزم" عند الراحة ، فإن ذرات المستقبِل تكون شفافة بالنسبة للليزر "المسبار".

في هذه الحالة ، يتم تحقيق الشفافية فقط في نطاق تردد ضيق ، لذلك يجب أن يكون ليزر "المسبار" نظيفًا للغاية. إذا مرت موجة راديو عبر جهاز الاستقبال ، يتم إزاحة طيف الامتصاص للذرات ، ويبدأ امتصاص أشعة الليزر.

كلما زادت سعة الموجة ، زادت الخسارة. لذلك ، يعمل هذا التجويف كجهاز استقبال يستقبل موجات راديو AM بتردد موجة حاملة محدد.

لتحقيق تأثير صوت الاستريو ، في التجربة ، امتلأ التجويف على الفور بنوعين من ذرات Rydberg ، كل منها يعمل بشكل مستقل مع الليزر "الملزم" و "التحقيق" الخاص به.

تم اختيار كل من Cesium-133 و rubidium-87 ، اللذين استقبلا موجات بتردد الموجة الحاملة GHz 19.623 و GHz 20.64 ، كذرات من هذا القبيل.

تم تغذية إشارات الليزر "المسبار" إلى جهاز كمبيوتر ومعالجتها باستخدام برنامج Audacity المجاني.

لاختبار تشغيل راديو AM الذري المجسم ، تم نقل اللحن المرتجل إليه في A-minor ، والذي تم إجراؤه على جيتارين (كهربائي وصوتي مع بيك اب).

تم إرسال الإشارات المأخوذة من القيثارات إلى مكبرات الصوت ، وتحويلها إلى شكل معدلة السعة باستخدام مولدات الإشارات والبث باستخدام هوائيات القرن.

تم بث إشارة الغيتار الصوتية على تردد 19.623 جيجا هرتز ، وإشارة الغيتار الكهربائي على تردد 20.644 جيجاهيرتز.

كان كلا الهوائيين البوقيين على مسافة حوالي 15 سنتيمتراً من التجويف المليء بذرات ريدبرغ.

تلقى إشارة:





تبين أن جودة الإشارة التي أعيد بناؤها مقبولة تمامًا: على الرغم من التداخل الطفيف ، الذي يشبه تشققات سجل الفينيل ، كانت الموسيقى واضحة جدًا.

تم نشر سجل الإشارة المستلمة في الوصول المفتوح هنا .

→ استمع إليها عبر الإنترنت هنا



وهكذا ، تمكن الفيزيائيون في أعمالهم الجديدة على الموسيقى من إظهار أن فيزياء الكم لا يمكن أن تكون معقدة فحسب ، ولكنها أيضًا مثيرة للاهتمام.