Fisikawan dari Amerika Serikat membuat pengaturan radio atom di laboratorium, yang menggunakan atom Rydberg yang diterangi oleh dua pasang laser, bukan antena, dan melakukan transmisi eksperimental pertama di dunia dari komposisi musik stereo menggunakan gelombang radio AM.
Ringkasan EksperimenLima tahun yang lalu, terbukti bahwa penerima radiasi elektromagnetik yang sensitif dapat dibuat berdasarkan atom Rydberg.
Atom Rydberg adalah atom tereksitasi yang memiliki elektron eksternal pada tingkat energi yang sangat tinggi, dan dalam keadaan ini atom ini bereaksi sangat tajam terhadap perubahan lemah dalam medan listrik eksternal.Pada tahun 2019, percobaan yang lebih kompleks sudah berhasil diselesaikan, yang mana pengaturan laboratorium khusus dibuat dalam bentuk wadah dengan gas dari atom Rydberg, diterangi oleh dua sumber laser dengan panjang gelombang yang berbeda.
Ketika gelombang radio melewati kapasitansi, spektrum serapan atom Rydberg mulai bergeser, dan perubahan ini direkam menggunakan laser. Dengan demikian, instalasi berfungsi sebagai penerima gelombang radio AM dari frekuensi tertentu.
Sebagai komponen instalasi, atom cesium-133 dan rubidium-87 digunakan.
Kualitas sinyal yang diterima dengan bantuan pengaturan semacam itu ternyata cukup baik dalam percobaan semacam itu.Deskripsi percobaan yang lebih terperinciSeperti dijelaskan sebelumnya,
atom Rydberg adalah
atom yang sangat tereksitasi, elektron eksternal yang telah naik ke tingkat energi yang sangat tinggi.
Sebagai aturan, angka kuantum utama dari level ini adalah n ~ 100.
Sifat-sifat atom Rydberg sangat bergantung pada jumlah n:
- umur atom meningkat dengan cepat dengan meningkatnya n dan sebanding dengan n ^ 3;
- momen dipol tumbuh sebagai n ^ 2;
- polarisasi meningkatkan sebagai n ^ 7.
Dengan demikian, semakin kuat atom Rydberg tereksitasi, semakin lama ia hidup dan semakin tajam rasanya medan listrik eksternal.
Selain itu, seiring dengan jumlah dan peningkatan:
- jari-jari atom tunggal (R ~ n ^ 6);
- panjang karakteristik interaksi dua atom (L ~ n ^ 4).
Misalnya , jari-jari atom hidrogen dengan n = 1000 adalah sekitar 5x10 ^ (- 2) mm, dan masa pakainya mencapai satu detik.
Secara teoritis, sifat-sifat tersebut memungkinkan untuk mengubah atom Rydberg menjadi penerima gelombang elektromagnetik yang sensitif.
Memang, karena momen dipol besar, atom-atom seperti itu harus merasakan dengan baik perubahan lemah dalam medan listrik yang menyertai gelombang elektromagnetik.
Karena itu, jika Anda terus memantau keadaan atom, misalnya, menyorotnya dengan laser, Anda dapat mengembalikan amplitudo gelombang dan sinyal yang dibawanya.
Teori adalah teori, tetapi eksperimen diperlukan.
Untuk pertama kalinya, ide untuk membuat fasilitas semacam itu (versi pertama dari radio atom yang disederhanakan sepenuhnya) diusulkan pada tahun 2014, pada saat yang sama percobaan pertama berhasil dilakukan oleh sekelompok fisikawan yang dipimpin oleh Christopher Holloway, membuktikan perhitungan teoritis dalam kenyataan.
→
Tautan ke artikelDesain Eksperimen:
Skema Instalasi:
Pemodelan amplitudo medan listrik:
Perbandingan data yang dihitung dan diterima:
Setelah percobaan pertama ini, perbaikan pada pengaturan eksperimental mulai meningkatkan parameternya dan memperluas kemampuannya - untuk mendapatkan data tambahan, misalnya, dimungkinkan untuk mengukur fase insiden gelombang radio pada gas atom.
→
Tautan ke artikel
Desain Eksperimen:
Data yang diterima:
Dan sekarang, setelah unsur-unsur utama radio atom ditemukan, sekarang tinggal merakit instalasi yang lebih kompleks dan berfungsi, yang dengannya Anda dapat mendengarkan musik dan siaran radio.
Dan dalam instalasi baru mereka menambahkan dukungan untuk suara stereo, saluran yang berbeda dilakukan oleh gelombang radio AM dengan frekuensi pembawa yang berbeda.
→
Tautan ke artikel lengkap tentang percobaan ini
Skema instalasi baru:
Dasar dari pengaturan eksperimental baru adalah rongga diisi dengan atom Rydberg dan ditransmisikan melalui dua laser dengan panjang gelombang yang berbeda.
Salah satu laser ("mengikat") memastikan koherensi atom-atom penerima, dan laser kedua ("menyelidik") mengekstraksi informasi darinya.
Karena penyetelan laser “binding” yang benar saat istirahat, atom-atom penerima transparan terhadap laser “probe”.
Dalam hal ini, transparansi hanya dicapai dalam rentang frekuensi yang sempit, sehingga laser "probe" harus sangat bersih. Jika gelombang radio melewati penerima, spektrum serapan atom digeser, dan radiasi laser mulai diserap.
Semakin besar amplitudo gelombang, semakin besar pula kerugiannya. Oleh karena itu, rongga tersebut berfungsi sebagai penerima yang menerima gelombang radio AM dengan frekuensi pembawa tertentu.
Untuk mencapai efek suara stereo, dalam percobaan, rongga segera diisi dengan dua jenis atom Rydberg, yang masing-masing bekerja secara independen dengan laser "binding" dan "probe" -nya sendiri.
Cesium-133 dan rubidium-87, yang menerima gelombang dengan frekuensi pembawa 19,623 GHz dan 20,644 GHz, dipilih sebagai atom.
Sinyal dari laser "probe" diumpankan ke komputer dan diproses menggunakan Audacity program gratis.
Untuk menguji pengoperasian radio AM stereo atom, melodi dadakan ditransmisikan ke dalam A-minor, yang dilakukan pada dua gitar (listrik dan akustik dengan pickup).
Sinyal yang diambil dari gitar dikirim ke amplifier, dikonversi ke bentuk modulasi amplitudo menggunakan generator sinyal, dan disiarkan menggunakan dua antena tanduk.
Sinyal gitar akustik disiarkan pada frekuensi 19,623 GHz, dan sinyal gitar listrik pada frekuensi 20,644 GHz.
Kedua antena tanduk terletak pada jarak sekitar 15 sentimeter dari rongga yang diisi dengan atom Rydberg.
Menerima sinyal:
Kualitas sinyal yang direkonstruksi ternyata cukup dapat diterima: meskipun ada sedikit gangguan, mirip dengan derak rekaman vinyl, musiknya sangat jernih.
Rekaman sinyal yang diterima diposting di
akses terbuka di
sini .
→
Dengarkan dia online di sini
Dengan demikian, fisikawan dalam karya baru mereka tentang musik mampu menunjukkan bahwa fisika kuantum tidak hanya kompleks, tetapi juga menarik.