Preparati per la radio atomica

Il design di base dell'antenna radio non è cambiato in un secolo. L'antenna è solitamente un insieme di aste di metallo grandi circa la metà della lunghezza d'onda che sono progettate per ricevere. Il campo elettrico in un'onda radio che passa accelera gli elettroni all'interno di queste barre, convertendo l'energia dell'onda in una minuscola corrente elettrica che può essere amplificata.

Ma ai fisici piacerebbe molto rendere le antenne più capaci e più sicure. Sarebbe positivo, ad esempio, se antenne semplici potessero ricevere una gamma più ampia di lunghezze d'onda ed essere più resistenti alle interferenze elettromagnetiche.

Entrano David Anderson della Rydberg Technologies ad Ann Arbor, nel Michigan, e un paio di colleghi, che hanno reinventato l'antenna da zero. Il loro nuovo dispositivo funziona in modo completamente diverso dalle antenne convenzionali, utilizzando un laser per misurare il modo in cui i segnali radio interagiscono con determinati tipi di atomi.

La salsa segreta nel nuovo dispositivo sono gli atomi di Rydberg. Questi sono atomi di cesio in cui gli elettroni esterni sono così eccitati da orbitare attorno al nucleo a grande distanza. A queste distanze, i livelli di energia potenziale degli elettroni sono estremamente ravvicinati e questo conferisce loro proprietà speciali. In effetti, qualsiasi piccolo campo elettrico può spingerli da un livello all'altro.

Le onde radio sono costituite da campi elettrici alternati che interagiscono prontamente con qualsiasi atomo di Rydberg che incontrano. Questo li rende potenziali sensori.

Ma come rilevare questa interazione? Un gas composto da atomi di Rydberg ha un'altra proprietà che si rivela utile: può essere reso trasparente da un laser sintonizzato su una frequenza specifica. Questo laser essenzialmente satura la capacità del gas di assorbire la luce, consentendo a un altro raggio laser di attraversarlo.

Tuttavia, la frequenza critica alla quale ciò accade dipende in modo cruciale dalle proprietà degli atomi di Rydberg nel gas. Quando questi atomi interagiscono con le onde radio, la frequenza critica cambia in risposta.

Questa è la base del rilevamento radio. Anderson e co creano un gas di atomi di cesio eccitato negli stati di Rydberg. Quindi usano un laser sintonizzato su una frequenza specifica per rendere il gas trasparente.

Infine, fanno brillare un secondo laser attraverso il gas e misurano quanta luce viene assorbita, per vedere come varia la trasparenza con le onde radio ambientali.

Il segnale di un semplice fotodiodo fotosensibile rivela quindi il modo in cui i segnali radio sono modulati in frequenza o in ampiezza.

E il gioco è fatto: un'antenna costituita da una nuvola di atomi di cesio eccitati, colpiti da una luce laser che lampeggia a tempo con qualsiasi onda radio ambientale. La chiamano radio atomica.

Anderson e co hanno messo alla prova il loro dispositivo usando il microonde e dicono che funziona bene. Dimostriamo un ricevitore basato su atomi per la comunicazione a microonde AM e FM, dicono.

Tra i suoi vantaggi rispetto alle antenne convenzionali c'è l'ampia gamma di segnali che può rilevare: oltre quattro ottave dalla banda C alla banda Q o lunghezze d'onda da 2,5 a 15 centimetri. L'antenna stessa è una piccola cella di vapore che può creare e trattenere gas di cesio eccitato negli atomi di Rydberg.

Ma forse la cosa più rivoluzionaria è che il rilevamento non coinvolge i circuiti radio convenzionali. Il ricevitore atomico di onde radio funziona mediante il rilevamento ottico diretto in tempo reale della risposta atomica ai segnali in banda base AM e FM, precludendo la necessità della tradizionale elettronica di demodulazione e condizionamento del segnale, affermano Anderson e co.

Ciò significa che il dispositivo dovrebbe essere più o meno insensibile al tipo di interferenza elettromagnetica che può rendere inutili le antenne convenzionali.

Per testare il dispositivo, il team lo ha utilizzato per ricevere segnali a microonde AM e FM di una registrazione di una voce umana che canta Mary Had a Little Lamb. La radio atomica dimostrata mostra buone prestazioni sull'intera banda audio umana, dicono.

La nuova antenna non è perfetta. Ad esempio, la sua gamma dinamica è leggermente inferiore a quella normalmente prevista via radio. Ma la squadra è ottimista sul fatto che possa essere notevolmente migliorata.

Le radio atomiche stanno arrivando.

Rif: arxiv.org/abs/1808.08589 : un ricevitore atomico per la comunicazione radio AM e FM

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