Rádio atômica - a primeira transmissão musical de todos os tempos

Físicos dos Estados Unidos criaram uma instalação de rádio atômica em laboratório, que usa átomos de Rydberg iluminados por dois pares de lasers em vez de antenas, e conduziu a primeira transmissão experimental do mundo de uma composição musical estéreo usando uma onda de rádio AM.

Resumo da experiência

Há cinco anos, ficou provado que receptores sensíveis de radiação eletromagnética podem ser produzidos com base em átomos de Rydberg.

Os átomos de Rydberg são átomos excitados cujos elétrons externos estão em níveis de energia extremamente altos e, nesse estado, esses átomos reagem muito bruscamente a mudanças fracas em um campo elétrico externo.

Em 2019, um experimento mais complexo já foi concluído com êxito, para o qual foi criada uma configuração especial de laboratório na forma de um recipiente com gás dos átomos de Rydberg, iluminado por duas fontes de laser com diferentes comprimentos de onda.

Quando ondas de rádio foram passadas através da capacitância, o espectro de absorção dos átomos de Rydberg começou a mudar e essas alterações foram registradas usando lasers. Assim, a instalação funcionou como um receptor de ondas de rádio AM de uma certa frequência.

Como componentes da instalação, foram utilizados átomos de césio-133 e rubídio-87.

A qualidade do sinal recebido com a ajuda de tal configuração acabou sendo muito boa em tal experimento.

Uma descrição mais detalhada do experimento

Como descrito anteriormente, o átomo de Rydberg é um átomo altamente excitado, cujo elétron externo subiu para um nível de energia muito alto.

Como regra, o principal número quântico desse nível é n ~ 100.

As propriedades do átomo de Rydberg dependem fortemente do número n:

• a vida útil de um átomo aumenta rapidamente com o aumento de n e é proporcional a n ^ 3;
• o momento dipolar cresce como n ^ 2;
• a polarizabilidade aumenta como n ^ 7.

Assim, quanto mais forte o átomo de Rydberg é excitado, mais ele vive e mais acentuadamente sente um campo elétrico externo.

Além disso, junto com o número n, aumente:

• raio de um único átomo (R ~ n ^ 6);
• comprimento característico da interação de dois átomos (L ~ n ^ 4).

Por exemplo , o raio de um átomo de hidrogênio com n = 1000 é aproximadamente 5x10 ^ (- 2) mm e sua vida útil atinge um segundo.

Teoricamente, essas propriedades tornam possível transformar átomos de Rydberg em receptores sensíveis de ondas eletromagnéticas.

De fato, devido ao grande momento dipolar, esses átomos devem muito bem sentir as fracas mudanças no campo elétrico que acompanham a onda eletromagnética.

Portanto, se você monitorar constantemente o estado do átomo, por exemplo, destacando-o com um laser, poderá restaurar a amplitude da onda e o sinal que ela transmite.

Teoria é teoria, mas são necessárias experiências.

Pela primeira vez, a ideia de criar essa instalação (a primeira versão de um rádio atômico completamente simplificado) foi proposta em 2014, ao mesmo tempo em que o primeiro experimento foi conduzido com sucesso por um grupo de físicos liderados por Christopher Holloway, comprovando os cálculos teóricos na realidade.



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Design da experiência:



Esquema de instalação:



Modelando a amplitude do campo elétrico:



Comparação de dados calculados e recebidos:





Após esse primeiro experimento, as melhorias na configuração experimental começaram a melhorar seus parâmetros e expandir suas capacidades - para obter dados adicionais, por exemplo, foi possível medir a fase de uma onda de rádio incidente em um gás atômico.

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Design da experiência:





Dados recebidos:









E agora, depois que os principais elementos do rádio atômico foram descobertos, resta agora montar uma instalação mais complexa e funcional, com a qual você pode ouvir música e transmissões de rádio.

E na nova instalação, eles adicionaram suporte ao som estéreo, cujos diferentes canais são transmitidos por ondas de rádio AM com diferentes frequências portadoras.

→ Link para o artigo completo sobre este experimento



Esquema da nova instalação:



A base da nova configuração experimental é uma cavidade preenchida com átomos de Rydberg e transmitida através de dois lasers com diferentes comprimentos de onda.

Um dos lasers ("ligação") garante a coerência dos átomos do receptor e o segundo laser ("sondagem") extrai informações dele.

Devido ao ajuste correto do laser de "ligação" em repouso, os átomos do receptor são transparentes ao laser de "sonda".

Nesse caso, a transparência é alcançada apenas em uma faixa de frequência estreita, portanto o laser da "sonda" deve estar muito limpo. Se uma onda de rádio passa pelo receptor, o espectro de absorção dos átomos é alterado e a radiação do laser começa a ser absorvida.

Quanto maior a amplitude da onda, maior a perda. Portanto, essa cavidade atua como um receptor que recebe ondas de rádio AM com uma frequência portadora específica.

Para obter o efeito do som estéreo, no experimento, a cavidade foi preenchida imediatamente com dois tipos de átomos de Rydberg, cada um dos quais trabalhava independentemente com seu próprio laser de "ligação" e "sonda".

O césio-133 e o rubídio-87, que receberam ondas com uma frequência portadora de 19,623 GHz e 20,644 GHz, foram escolhidos como átomos.

Os sinais dos lasers "probe" foram alimentados no computador e processados ​​usando o programa gratuito Audacity.

Para testar a operação do rádio AM estéreo atômico, uma melodia improvisada foi transmitida em A-menor, que foi executada em duas guitarras (elétrica e acústica com um captador).

Os sinais retirados das guitarras foram enviados para amplificadores, convertidos para uma forma modulada em amplitude usando geradores de sinais e transmitidos usando duas antenas de corneta.

O sinal do violão foi transmitido na frequência de 19,623 GHz e o sinal de uma guitarra elétrica na frequência de 20,644 GHz.

As duas antenas de corneta estavam localizadas a uma distância de cerca de 15 centímetros da cavidade preenchida com átomos de Rydberg.

Sinal recebido:





A qualidade do sinal reconstruído acabou sendo bastante aceitável: apesar de uma leve interferência, semelhante a estalidos de um disco de vinil, a música era muito clara.

O registro do sinal recebido foi postado em acesso aberto aqui .

→ Ouça-a online aqui



Assim, os físicos em seu novo trabalho sobre música foram capazes de mostrar que a física quântica pode ser não apenas complexa, mas também interessante.