Atomic Radio - die erste Musiksendung überhaupt

Physiker aus den USA erstellten im Labor einen atomaren Funkaufbau, bei dem Rydberg-Atome verwendet werden, die von zwei Laserpaaren anstelle von Antennen beleuchtet werden, und führten die weltweit erste experimentelle Übertragung einer Stereomusikkomposition mit einer AM-Funkwelle durch.

Versuchszusammenfassung

Vor fünf Jahren wurde nachgewiesen, dass empfindliche Empfänger elektromagnetischer Strahlung auf Basis von Rydberg-Atomen hergestellt werden können.

Rydberg-Atome sind angeregte Atome, deren externe Elektronen extrem hohe Energieniveaus aufweisen, und in diesem Zustand reagieren diese Atome sehr scharf auf schwache Änderungen in einem externen elektrischen Feld.

Bereits 2019 wurde ein komplexeres Experiment erfolgreich abgeschlossen, für das ein spezieller Laboraufbau in Form eines Behälters mit Gas aus Rydberg-Atomen erstellt wurde, der von zwei Laserquellen mit unterschiedlichen Wellenlängen beleuchtet wurde.

Wenn Radiowellen durch die Kapazität geleitet wurden, begann sich das Absorptionsspektrum der Rydberg-Atome zu verschieben, und diese Änderungen wurden unter Verwendung von Lasern aufgezeichnet. Somit arbeitete die Installation als Empfänger von AM-Funkwellen einer bestimmten Frequenz.

Als Bestandteile der Anlage wurden Cäsium-133- und Rubidium-87-Atome verwendet.

Die Qualität des mit Hilfe eines solchen Aufbaus empfangenen Signals erwies sich in einem solchen Experiment als recht gut.

Eine detailliertere Beschreibung des Experiments

Wie bereits beschrieben, ist das Rydberg-Atom ein hoch angeregtes Atom, dessen externes Elektron auf ein sehr hohes Energieniveau angestiegen ist.

In der Regel beträgt die Hauptquantenzahl dieser Ebene n ~ 100.

Die Eigenschaften des Rydberg-Atoms hängen stark von der Zahl n ab:

• die Lebensdauer eines Atoms nimmt mit zunehmendem n schnell zu und ist proportional zu n ^ 3;
• das Dipolmoment wächst als n ^ 2;
• Die Polarisierbarkeit nimmt mit n ^ 7 zu.

Je stärker das Rydberg-Atom angeregt wird, desto länger lebt es und desto schärfer fühlt es ein äußeres elektrisches Feld.

Zusätzlich zusammen mit der Anzahl n erhöhen:

• Radius eines einzelnen Atoms (R ~ n ^ 6);
• charakteristische Länge der Wechselwirkung zweier Atome (L ~ n ^ 4).

Beispielsweise beträgt der Radius eines Wasserstoffatoms mit n = 1000 ungefähr 5 × 10 ^ (- 2) mm, und seine Lebensdauer erreicht eine Sekunde.

Theoretisch ermöglichen solche Eigenschaften, Rydberg-Atome in empfindliche Empfänger elektromagnetischer Wellen zu verwandeln.

In der Tat sollten solche Atome aufgrund des großen Dipolmoments die schwachen Änderungen im elektrischen Feld, die mit der elektromagnetischen Welle einhergehen, sehr gut spüren.

Wenn Sie also den Zustand des Atoms ständig überwachen, z. B. mit einem Laser, können Sie die Amplitude der Welle und das von ihr übertragene Signal wiederherstellen.

Theorie ist Theorie, aber Experimente sind erforderlich.

Zum ersten Mal wurde 2014 die Idee vorgeschlagen, eine solche Einrichtung (die erste Version eines vollständig vereinfachten Atomradios) zu schaffen. Gleichzeitig wurde das erste Experiment erfolgreich von einer Gruppe von Physikern unter der Leitung von Christopher Holloway durchgeführt, um theoretische Berechnungen in der Realität zu beweisen.



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Versuchsaufbau:



Installationsschema:



Modellierung der Amplitude des elektrischen Feldes:



Vergleich von berechneten und empfangenen Daten:





Nach diesem ersten Experiment begannen Verbesserungen des Versuchsaufbaus, seine Parameter zu verbessern und seine Fähigkeiten zu erweitern - um zusätzliche Daten zu erhalten, war es beispielsweise möglich, die Phase einer auf ein Atomgas einfallenden Funkwelle zu messen.

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Versuchsaufbau:





Erhaltene Daten:









Und jetzt, nachdem die Hauptelemente des Atomradios entdeckt wurden, bleibt es, eine komplexere und funktionierende Installation zusammenzustellen, mit der Sie Musik und Radiosendungen hören können.

In der neuen Installation wurde Stereo-Sound unterstützt, dessen verschiedene Kanäle von AM-Radiowellen mit unterschiedlichen Trägerfrequenzen übertragen werden.

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Schema der Neuinstallation:



Grundlage des neuen Versuchsaufbaus ist ein mit Rydberg-Atomen gefüllter Hohlraum, der durch zwei Laser mit unterschiedlichen Wellenlängen übertragen wird.

Einer der Laser ("Bindung") stellt die Kohärenz der Atome des Empfängers sicher, und der zweite Laser ("Sondieren") extrahiert Informationen daraus.

Aufgrund der korrekten Abstimmung des "Bindungs" -Lasers in Ruhe sind die Atome des Empfängers für den "Sonden" -Laser transparent.

In diesem Fall wird Transparenz nur in einem engen Frequenzbereich erreicht, daher muss der "Sonden" -Laser sehr sauber sein. Wenn eine Funkwelle den Empfänger passiert, verschiebt sich das Absorptionsspektrum der Atome und die Laserstrahlung beginnt zu absorbieren.

Je größer die Wellenamplitude ist, desto größer ist der Verlust. Daher wirkt ein solcher Hohlraum als Empfänger, der AM-Funkwellen mit einer bestimmten Trägerfrequenz empfängt.

Um die Wirkung von Stereoklang zu erzielen, wurde der Hohlraum im Experiment sofort mit zwei Arten von Rydberg-Atomen gefüllt, von denen jedes unabhängig mit seinem eigenen "Bindungs-" und "Sonden" -Laser arbeitete.

Als solche Atome wurden Cäsium-133 und Rubidium-87 ausgewählt, die Wellen mit einer Trägerfrequenz von 19,623 GHz und 20,644 GHz empfingen.

Die Signale von den "Sonden" -Lasern wurden einem Computer zugeführt und unter Verwendung des freien Programms Audacity verarbeitet.

Um den Betrieb des atomaren Stereo-AM-Radios zu testen, wurde ihm eine spontane Melodie in a-Moll übertragen, die auf zwei Gitarren (elektrisch und akustisch mit Tonabnehmer) gespielt wurde.

Die von den Gitarren aufgenommenen Signale wurden an Verstärker gesendet, unter Verwendung von Signalgeneratoren in eine amplitudenmodulierte Form umgewandelt und unter Verwendung von zwei Hornantennen gesendet.

Das akustische Gitarrensignal wurde mit einer Frequenz von 19,623 GHz und das Signal einer E-Gitarre mit einer Frequenz von 20,644 GHz ausgestrahlt.

Beide Hornantennen befanden sich in einem Abstand von etwa 15 Zentimetern von dem mit Rydberg-Atomen gefüllten Hohlraum.

Empfangenes Signal:





Die Qualität des rekonstruierten Signals erwies sich als durchaus akzeptabel: Trotz geringfügiger Interferenzen, die dem Knistern einer Schallplatte ähnelten, war die Musik sehr klar.

Die Aufzeichnung des empfangenen Signals wurde hier im Open Access veröffentlicht .

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So konnten Physiker in ihrer neuen Musikarbeit zeigen, dass Quantenphysik nicht nur komplex, sondern auch interessant sein kann.