Des physiciens des États-Unis ont créé une configuration de radio atomique dans le laboratoire, qui utilise des atomes de Rydberg éclairés par deux paires de lasers au lieu d'antennes, et a effectué la première transmission expérimentale au monde d'une composition de musique stéréo à l'aide d'une onde radio AM.
Résumé de l'expérienceIl y a cinq ans, il a été prouvé que des récepteurs sensibles de rayonnement électromagnétique peuvent être fabriqués à partir d'atomes de Rydberg.
Les atomes de Rydberg sont des atomes excités dont les électrons externes sont à des niveaux d'énergie extrêmement élevés, et dans cet état, ces atomes réagissent très fortement aux faibles changements dans un champ électrique externe.En 2019, une expérience plus complexe a déjà été menée à bien, pour laquelle une configuration de laboratoire spéciale a été créée sous la forme d'un récipient contenant du gaz provenant d'atomes de Rydberg, éclairé par deux sources laser de longueurs d'onde différentes.
Lorsque les ondes radio ont traversé la capacité, le spectre d'absorption des atomes de Rydberg a commencé à se déplacer, et ces changements ont été enregistrés à l'aide de lasers. Ainsi, l'installation a fonctionné comme récepteur d'ondes radio AM d'une certaine fréquence.
En tant que composants de l'installation, des atomes de césium 133 et de rubidium 87 ont été utilisés.
La qualité du signal reçu à l'aide d'une telle configuration s'est avérée assez bonne dans une telle expérience.Une description plus détaillée de l'expérienceComme décrit précédemment, l'
atome de Rydberg est un
atome hautement excité, dont l'électron externe a atteint un niveau d'énergie très élevé.
En règle générale, le nombre quantique principal de ce niveau est n ~ 100.
Les propriétés de l'atome de Rydberg dépendent fortement du nombre n:
- la durée de vie d'un atome augmente rapidement avec l'augmentation de n et est proportionnelle à n ^ 3;
- le moment dipolaire croît comme n ^ 2;
- la polarisabilité augmente à mesure que n ^ 7.
Ainsi, plus l'atome de Rydberg est fort, plus il vit et plus il ressent un champ Ă©lectrique externe.
De plus, avec l'augmentation du nombre n:
- rayon d'un seul atome (R ~ n ^ 6);
- longueur caractéristique de l'interaction de deux atomes (L ~ n ^ 4).
Par exemple , le rayon d'un atome d'hydrogène avec n = 1000 est d'environ 5x10 ^ (- 2) mm, et sa durée de vie atteint une seconde.
Théoriquement, de telles propriétés permettent de transformer les atomes de Rydberg en récepteurs sensibles d'ondes électromagnétiques.
En effet, en raison du grand moment dipolaire, ces atomes devraient très bien ressentir les faibles changements du champ électrique qui accompagnent l'onde électromagnétique.
Par conséquent, si vous surveillez constamment l'état de l'atome, par exemple en le mettant en évidence avec un laser, vous pouvez restaurer l'amplitude de l'onde et le signal qu'elle transporte.
La théorie est la théorie, mais des expériences sont nécessaires.
Pour la première fois, l'idée de créer une telle installation (la première version d'une radio atomique complètement simplifiée) a été proposée en 2014, en même temps que la première expérience a été menée avec succès par un groupe de physiciens dirigé par Christopher Holloway, prouvant la réalité des calculs théoriques.
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Lien vers l'articleConception de l'expérience:
Schéma d'installation:
Modélisation de l'amplitude du champ électrique:
Comparaison des données calculées et reçues:
Après cette première expérience, des améliorations de la configuration expérimentale ont commencé à améliorer ses paramètres et à étendre ses capacités - pour obtenir des données supplémentaires, par exemple, il était possible de mesurer la phase d'un incident d'ondes radioélectriques sur un gaz atomique.
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Conception de l'expérience:
Données reçues:
Et maintenant, après la découverte des principaux éléments de la radio atomique, il ne reste plus qu'à assembler une installation plus complexe et plus fonctionnelle, avec laquelle vous pourrez écouter de la musique et des émissions de radio.
Et dans la nouvelle installation, ils ont ajouté la prise en charge du son stéréo, dont les différents canaux sont portés par des ondes radio AM avec différentes fréquences porteuses.
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Lien vers l'article complet sur cette expérience
Schéma de la nouvelle installation:
La base de la nouvelle configuration expérimentale est une cavité remplie d'atomes de Rydberg et transmise par deux lasers de longueurs d'onde différentes.
L'un des lasers («binding») assure la cohérence des atomes du récepteur, et le second laser («probing») en extrait des informations.
En raison du réglage correct du laser «liant» au repos, les atomes du récepteur sont transparents au laser «sonde».
Dans ce cas, la transparence n'est obtenue que dans une gamme de fréquences étroite, donc le laser "sonde" doit être très propre. Si une onde radio traverse le récepteur, le spectre d'absorption des atomes est déplacé et le rayonnement laser commence à être absorbé.
Plus l'amplitude des ondes est grande, plus la perte est importante. Par conséquent, une telle cavité agit comme un récepteur recevant des ondes radio AM avec une fréquence porteuse spécifique.
Pour obtenir l'effet du son stéréo, dans l'expérience, la cavité a été immédiatement remplie de deux types d'atomes de Rydberg, chacun fonctionnant indépendamment avec son propre laser de «liaison» et de «sonde».
Le césium-133 et le rubidium-87, qui ont reçu des ondes avec une fréquence porteuse de 19,623 GHz et 20,644 GHz, ont été choisis comme tels.
Les signaux des lasers "à sonde" ont été envoyés à un ordinateur et traités à l'aide du programme gratuit Audacity.
Pour tester le fonctionnement de la radio AM stéréo atomique, une mélodie impromptue lui a été transmise en la mineur, qui a été jouée sur deux guitares (électrique et acoustique avec un micro).
Les signaux provenant des guitares ont été envoyés à des amplificateurs, convertis en une forme modulée en amplitude à l'aide de générateurs de signaux et diffusés à l'aide de deux antennes à pavillon.
Le signal de guitare acoustique a été diffusé à une fréquence de 19,623 GHz, et le signal d'une guitare électrique à une fréquence de 20,644 GHz.
Les deux antennes cornet étaient situées à une distance d'environ 15 centimètres de la cavité remplie d'atomes de Rydberg.
Signal reçu:
La qualité du signal reconstruit s'est avérée tout à fait acceptable: malgré de légères interférences, ressemblant à des crépitements de disque vinyle, la musique était très claire.
L'enregistrement du signal reçu a été affiché en
accès libre ici .
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Écoutez-la en ligne ici
Ainsi, les physiciens dans leurs nouveaux travaux sur la musique ont pu montrer que la physique quantique peut être non seulement complexe, mais aussi intéressante.