Vom National Institute of Standards and Technology (NIST), 24. Mai 2022Kupferne „Kopfhörer“ erhöhen die Empfindlichkeit des atomaren Funkempfängers von NIST, der aus einem Gas aus Cäsiumatomen besteht, das in einem speziellen Zustand innerhalb des Glasbehälters vorbereitet wird.Sendet eine über dem Aufbau befindliche Antenne ein Funksignal nach unten, verstärken die Kopfhörer die Stärke des empfangenen Signals um das Hundertfache.Bildnachweis: NISTWissenschaftler des National Institute of Standards and Technology (NIST) haben die Empfindlichkeit ihres atomaren Funkempfängers um das Hundertfache erhöht, indem sie den kleinen Glaszylinder aus Cäsiumatomen in etwas eingeschlossen haben, das wie maßgefertigte „Kopfhörer“ aus Kupfer aussieht.Die Struktur – eine quadratische Überkopfschleife, die zwei quadratische Platten verbindet – verstärkt das eingehende Funksignal oder elektrische Feld, das an die gasförmigen Atome in der Flasche (bekannt als Dampfzelle) zwischen den Platten angelegt wird.Diese Verbesserung ermöglicht es dem Funkempfänger, viel schwächere Signale als zuvor zu erkennen.Die Demonstration wird in einem neuen Artikel beschrieben, der in der Zeitschrift Applied Physics Letters veröffentlicht wurde.Die Kopfhörerstruktur ist technisch gesehen ein Split-Ring-Resonator, der wie ein Metamaterial wirkt – ein Material, das mit neuartigen Strukturen entwickelt wurde, um ungewöhnliche Eigenschaften zu erzielen.„Wir können es eine von Metamaterialien inspirierte Struktur nennen“, sagte NIST-Projektleiter Chris Holloway.Forscher des NIST demonstrierten zuvor den atombasierten Funkempfänger.Ein Atomsensor hat neben anderen möglichen Vorteilen das Potenzial, physisch kleiner zu sein und in lauten Umgebungen besser zu funktionieren als herkömmliche Funkempfänger.Die Dampfzelle ist etwa 14 Millimeter (0,55 Zoll) lang und hat einen Durchmesser von 10 mm (0,39 Zoll), ungefähr so ​​groß wie ein Fingernagel oder ein Computerchip, aber dicker.Die Overhead-Schleife des Resonators hat eine Seitenlänge von etwa 16 mm (0,63 Zoll) und die Ohrabdeckungen eine Seitenlänge von etwa 12 mm (0,47 Zoll).Der NIST-Funkempfänger stützt sich auf einen besonderen Zustand der Atome.Die Forscher verwenden zwei verschiedene Farblaser, um in der Dampfzelle enthaltene Atome in hochenergetische ("Rydberg") Zustände zu bringen, die neuartige Eigenschaften wie extreme Empfindlichkeit gegenüber elektromagnetischen Feldern aufweisen.Die Frequenz und Stärke eines angelegten elektrischen Felds beeinflussen die von den Atomen absorbierten Lichtfarben, und dies hat den Effekt, dass die Signalstärke in eine optische Frequenz umgewandelt wird, die genau gemessen werden kann.Ein an den neuen Resonator angelegtes Funksignal erzeugt Ströme in der Überkopfschleife, die einen magnetischen Fluss oder eine Spannung erzeugen.Die Abmessungen der Kupferstruktur sind kleiner als die Wellenlänge des Funksignals.Infolgedessen bewirkt dieser kleine physische Spalt zwischen den Metallplatten, dass Energie um die Atome herum gespeichert und das Funksignal verstärkt wird.Dies steigert die Leistungseffizienz oder Empfindlichkeit."Die Schleife fängt das ankommende Magnetfeld ein und erzeugt eine Spannung über den Lücken", sagte Holloway.„Da der Spaltabstand klein ist, entwickelt sich ein großes elektromagnetisches Feld über den Spalt hinweg.“Die Schleifen- und Lückengrößen bestimmen die natürliche oder Resonanzfrequenz der Kupferstruktur.In den NIST-Experimenten betrug der Spalt etwas mehr als 10 mm, begrenzt durch den Außendurchmesser der verfügbaren Dampfzelle.Die Forscher verwendeten einen kommerziellen mathematischen Simulator, um die Schleifengröße zu bestimmen, die erforderlich ist, um eine Resonanzfrequenz nahe 1,312 Gigahertz zu erzeugen, bei der Rydberg-Atome zwischen Energieniveaus wechseln.Mehrere externe Mitarbeiter halfen bei der Modellierung des Resonatordesigns.Die Modellierung deutet darauf hin, dass das Signal 130-mal stärker gemacht werden könnte, während das gemessene Ergebnis etwa das Hundertfache war, was wahrscheinlich auf Energieverluste und Unvollkommenheiten in der Struktur zurückzuführen ist.Eine kleinere Lücke würde eine größere Verstärkung erzeugen.Die Forscher planen, andere Resonatordesigns, kleinere Dampfzellen und andere Frequenzen zu untersuchen.Mit der weiteren Entwicklung können atombasierte Empfänger viele Vorteile gegenüber herkömmlichen Funktechnologien bieten.Beispielsweise fungieren die Atome als Antenne, und es besteht keine Notwendigkeit für herkömmliche Elektronik, die Signale für die Übertragung in verschiedene Frequenzen umwandelt, da die Atome die Arbeit automatisch erledigen.Die Atomempfänger können physisch kleiner sein, mit Abmessungen im Mikrometerbereich.Darüber hinaus können atombasierte Systeme weniger anfällig für einige Arten von Interferenzen und Rauschen sein.Referenz: „Rydberg Atom-based Field Sensing Enhancement Using a Split-Ring Resonator“ von Christopher L. Holloway, Nikunjkumar Prajapati, Alexandra B. Artusio-Glimpse, Samuel Berweger, Matthew T. Simons, Yoshiaki Kasahara, Andrea Alù und Richard W. Ziolkowsk, 5. Mai 2022, Angewandte Physik Briefe.DOI: 10.1063/5.0088532Die Forschung wird teilweise von der Defense Advanced Research Projects Agency und dem NIST-on-a-Chip-Programm finanziert.Unterstützung bei der Modellierung wurde von Mitarbeitern der University of Texas, Austin, geleistet;Stadtuniversität von New York, NY;und University of Technology Sydney, Australien.Die E-Mail-Adresse ist optional.Falls angegeben, wird Ihre E-Mail nicht veröffentlicht oder geteilt.Meinen Namen, meine E-Mail-Adresse und meine Website in diesem Browser speichern, bis ich das nächste Mal kommentiere.SciTechDaily: Heimat der besten Wissenschafts- und Technologienachrichten seit 1998. 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