Физики из США создали в лаборатории установку для атомного радио, в которой вместо антенн используются ридберговские атомы, просвечиваемые двумя парами лазеров, и провели первую в мире экспериментальную передачу стереофонической музыкальной композиции с помощью АМ-радиоволны.
Краткое описание эксперимента
Пять лет назад было доказано, что чувствительные приемники электромагнитного излучения можно делать на основе ридберговских атомов.
Ридберговские атомы — это возбужденные атомы, внешние электроны которых находятся на чрезвычайно высоких энергетических уровнях, причем в таком состоянии эти атомы очень остро реагируют на слабые изменения во внешнем электрическом поле.
В 2019 году был успешно выполнен уже более сложный эксперимент, для которого была создана специальная лабораторная установка в виде емкости с газом из ридберговских атомов, просвечиваемая двумя источниками лазерного излучения с разными длинами волн.
Когда через емкость пропускали радиоволны, то спектр поглощения ридберговских атомов начинал смещаться, причем эти изменения фиксировались при помощи лазеров. Таким образом, установка работала как приемник АМ-радиоволн определенной частоты.
В качестве компонентов установки использовались атомы цезия-133 и рубидия-87.
Качество сигнала, принятого с помощью такой установки, получилось в таком эксперименте достаточно хорошим.
Более подробное описание эксперимента
Как было описано ранее, ридберговский атом — это сильно возбужденный атом, внешний электрон которого поднялся на очень высокий энергетический уровень.
Как правило, главное квантовое число такого уровня n ~ 100.
Свойства ридберговского атома сильно зависят от числа n:
- время жизни атома быстро растет с увеличением n и пропорционально n^3;
- дипольный момент растет как n^2;
- поляризуемость растет как n^7.
Таким образом, чем сильнее возбужден ридберговский атом, тем дольше он живет и тем острее чувствует внешнее электрическое поле.
Кроме того, вместе с числом n увеличиваются:
- радиус отдельного атома (R ~ n^6);
- характерная длина взаимодействия двух атомов (L ~ n^4).
Например, радиус атома водорода с n=1000 составляет примерно 5х10^(-2) мм, а время его жизни достигает одной секунды.
Теоретически, такие свойства позволяют превратить ридберговские атомы в чувствительные приемники электромагнитных волн.
Ведь благодаря большому дипольному моменту такие атомы должны очень хорошо чувствовать слабые изменения электрического поля, которые сопровождают электромагнитную волну.
Следовательно, если постоянно следить за состоянием атома, например, подсвечивая его лазером, то можно восстановить амплитуду волны и сигнал, который она переносит.
Теория теорией, но нужны эксперименты.
Впервые идея создания такой установки (первого варианта совсем упрощенного атомного радио) была предложена в 2014 году, тогда же был успешно проведен первый эксперимент группой физиков под руководством Кристофера Холлоуэя, доказывающий в реальности теоретические расчеты.
→ Ссылка на статью
Схема эксперимента:
Схема установки:
Моделирование амплитуды электрического поля:
Сравнение расчетных и полученных данных:
После этого первого эксперимента начались доработки экспериментальной установки для улучшения ее параметров и расширения ее возможностей — получения дополнительных данных, например, была реализована возможность измерения фазы радиоволны, падающей на атомный газ.
→ Ссылка на статью
Схема эксперимента:
Полученные данные:
И вот, после того, как главные элементы атомного радио были открыты, осталось теперь собрать более сложную и работающую установку, с помощью которой можно слушать музыку и радиопередачи.
Причем в новую установку добавили поддержку стереофонического звука, разные каналы которого переносятся AM-радиоволнами с разной несущей частотой.
→ Ссылка на полную статью по этому эксперименту
Схема новой установки:
В основе новой экспериментальной установки находится полость, заполненная ридберговскими атомами и просвечиваемая двумя лазерами с разной длиной волны.
Один из лазеров («связывающий») обеспечивает когерентность атомов приемника, а второй лазер («зондирующий») извлекает из него информацию.
Благодаря правильной настройке «связывающего» лазера в состоянии покоя атомы приемника прозрачны для «зондирующего» лазера.
При этом прозрачность достигается только в узком диапазоне частот, поэтому «зондирующий» лазер должен быть очень чистым. Если же сквозь приемник проходит радиоволна, спектр поглощения атомов смещается, и лазерное излучение начинает поглощаться.
Чем больше амплитуда волны, то тем сильнее потери. Следовательно, такая полость работает как приемник, принимающий AM-радиоволны с определенной несущей частотой.
Чтобы добиться эффекта стереозвука, в эксперименте заполнили полость сразу двумя типами ридберговских атомов, каждый из которых независимо работал со своим «связывающим» и «зондирующим» лазером.
В качестве таких атомов были выбраны цезий-133 и рубидий-87, которые принимали волны с несущей частотой 19.623 ГГц и 20.644 ГГц.
Сигналы от «зондирующих» лазеров подавались на компьютер и обрабатывались с помощью бесплатной программы Audacity.
Чтобы проверить работу атомного стереофонического AM-радио, была совершена передача на него импровизированной мелодии в ля-минор, которую исполнили на двух гитарах (электрической и акустической со звукоснимателем).
Снятые с гитар сигналы направили на усилители, преобразовали к амплитудно-модулированному виду с помощью генераторов сигналов и транслировали с помощью двух рупорных антенн.
Сигнал акустической гитары транслировался на частоте 19.623 ГГц, а сигнал электрической гитары на частоте 20.644 ГГц.
Обе рупорные антенны находились на расстоянии около 15 сантиметров от полости, заполненной ридберговскими атомами.
Полученный сигнал:
Качество восстановленного сигнала оказалось вполне приемлемым: несмотря на небольшие помехи, напоминающие потрескивания виниловой пластинки, музыка была очень четкой.
Запись полученного сигнала выложили в открытый доступ тут.
→ Послушать ее онлайн можно тут
Таким образом, физики в своей новой работе, посвященной музыке, смогли показать, что квантовая физика может быть не только сложной, но и интересной.
