Powstało radio na atomach. Jak działa wynalazek polskich naukowców?

Naukowcy z Wydziału Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego stworzyli superczułe radio na atomach.

Sygnały Wi-Fi, Bluetooth, łączność satelitarna czy radary w samochodach stały się niewidzialną, ale kluczową częścią naszej codzienności. Do ich odbioru używamy klasycznych anten i złożonych układów elektronicznych, które wzmacniają i przetwarzają sygnał. Technologia ta, choć skuteczna w naszych telefonach i routerach, ma jedną fundamentalną wadę.

Każdy tradycyjny odbiornik radiowy, oprócz nasłuchiwania, sam generuje pewien poziom szumu i własnych mikrofal. To tak, jakby próbować usłyszeć szept w trakcie rockowego koncertu – w pewnym momencie nasza własna technologia zagłusza sygnały, których najbardziej pożądamy. To bariera, którą fizycy z Wydziału Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego, publikując wyniki swoich badań w prestiżowym czasopiśmie Nature Communications, właśnie przełamali, budując radio na atomach.

Jak to działa?

Idea wykorzystania pojedynczego atomu jako anteny może wydawać się kontrintuicyjna w porównaniu do metalowych konstrukcji, które znamy. Kluczem są tu tzw. atomy Rydberga. Są to atomy, w których jeden z elektronów został wzbudzony i krąży po bardzo odległej orbicie. Taki atom przypomina ogromną, delikatną kulę, której rozmiar jest setki razy większy niż zwykłego atomu. Ta gigantyczna „chmura” elektronowa działa jak potężny żagiel, który nawet najlżejszy powiew pola elektromagnetycznego (mikrofal) jest w stanie wprawić w ruch, zmieniając stan całego atomu. To właśnie czyni go ekstremalnie czułym na nawet najsłabsze sygnały.

Największą zaletą nowego urządzenia jest jego cisza radiowa. Klasyczne odbiorniki potrzebują tzw. lokalnego oscylatora – własnego, silnego sygnału mikrofalowego, który miesza się z odbieraną falą, aby wydobyć z niej informację. Innymi słowy, tradycyjne radio musi „krzyczeć” (generując własne mikrofale), aby „usłyszeć” (przetworzyć sygnał). Rozwiązanie z UW jest rewolucyjne, ponieważ zastępuje ten „hałaśliwy” mikrofalowy wzorzec nieskazitelnie „cichym” odniesieniem w postaci światła lasera. To lasery wprowadzają atomy w odpowiedni stan, sprawiając, że reagują na mikrofale w kontrolowany sposób, bez potrzeby generowania dodatkowych zakłóceń przy detektorze. Dzięki temu urządzenie głównie nasłuchuje, a nie „nadaje” we własnym otoczeniu, jak podaje serwis naukawpolsce.pl.

W tradycyjnym radiu odebrany sygnał zamieniany jest na prąd elektryczny płynący przewodem. Tutaj proces jest zupełnie inny. W sercu urządzenia znajduje się szklana komórka wypełniona oparami rubidu. Gdy z zewnątrz docierają mikrofale, wpływają one na stan atomów Rydberga. Zmiana ta jest następnie odczytywana za pomocą specjalnego lasera sondującego. Atomy, w zależności od tego, czy „poczuły” mikrofale, działają jak mikroskopijne filtry lub przesłony, które subtelnie zmieniają jasność i charakter przechodzącego przez nie światła lasera. To właśnie te zmiany niosą precyzyjną informację o odebranym sygnale mikrofalowym.

Nawet najlepsze lasery nie są idealnie stabilne – ich częstotliwość może z czasem nieznacznie „pływać”, wprowadzając do pomiaru własny szum, który mógłby zagłuszyć najsłabsze sygnały. Stąd też, część światła z laserów sterujących została skierowana do specjalnego kryształu, aby stworzyć precyzyjną „mapę szumu” generowanego przez same lasery. Najpierw precyzyjnie nagrywamy „fałsz” generowany przez nasze własne narzędzia, a następnie odejmujemy go od całości sygnału. W rezultacie otrzymujemy możliwie czysty zapis tego, co naprawdę przyszło z zewnątrz, jak informuje serwis naukawpolsce.pl.

Naukowcy udowodnili, że ich odbiornik potrafi odbierać normalnie kodowane dane, wykorzystując modulację sygnału podobną do tej używanej w nowoczesnych sieciach telekomunikacyjnych.