Sintonización de radio atómica: la técnica cuántica desbloquea la recepción de radio láser

La tecnología básica de la radio no ha cambiado mucho desde que el marqués italiano hizo estallar por primera vez mensajes telegráficos a través del Atlántico con una bujía insertada y un par de cables. Entonces, como ahora, la recepción de ondas de radio depende de antenas de la forma y el tamaño adecuados para utilizar la energía de las ondas de radio para inducir una corriente que puede amplificarse, filtrarse y demodularse y transformarse en una forma de onda de sonido.

Esta ecuación básica puede cambiar pronto a medida que se desarrollen y comercialicen receptores directos producidos a partir de una fase exótica de la materia. La radio atómica, que no depende de la captura de los receptores de radio tradicionales, está lista para abrir una nueva ventana en el espectro de RF, uno menos sujeto a interferencias, ocupa menos espacio y tiene un ancho de banda mucho más amplio que las tecnologías de receptor actuales. Y, sorprendentemente, depende solo de una pequeña nube de gas y algunos láseres para funcionar.

Música cuántica de Rydberg Atoms

El término radiación nuclear parece un poco confuso al principio. Después de todo, ¿no están todos los rayos hechos de átomos? Pero en el contexto de diferenciar las tecnologías de radio tradicionales del enfoque más nuevo, el uso del término átomo tiene sentido. La radiación atómica depende de los átomos de Rydberg, que son átomos de elementos como el cesio y el rubidio, cuyos electrones externos se han enrollado en estados cuánticos mucho más altos que la materia normal, utilizando luz láser en la longitud de onda exacta u otros métodos electromagnéticos. Los electrones están tan lejos del núcleo en los átomos de Rydberg que apenas se mantienen en órbita, las órbitas son casi circulares y el átomo se acerca al tamaño macroscópico.

Debido a los electrones externos altamente excitados, los átomos de Rydberg tienen propiedades interesantes y útiles. La brecha entre los niveles de electrones, que están lejos del núcleo, es extremadamente estrecha, lo que facilita la perturbación de los electrones y los hace cambiar de estado. Si, por ejemplo, una onda de radio que pasa golpea un átomo de Rydberg, sus electrones externos pueden ser empujados a otro nivel. Además, los átomos de Rydberg muestran la propiedad óptica no lineal de la transparencia inducida electromagnéticamente, o EIT. Esto significa que un láser sintonizado a una frecuencia específica puede saturar el gas de los átomos de Rydberg, haciéndolos ópticamente transparentes en una porción estrecha del espectro. Un segundo láser sintonizado con esa ventana óptica brillará directamente a través del gas con poca pérdida de intensidad.

El rayo atómico combina estas dos propiedades: una pequeña celda llena de vapor de cesio excitado se vuelve transparente mediante un láser sintonizado a 852 nm. La celda también tiene un láser a 510 nm que lo pasa a través de un fotodiodo. Cuando se transmite una señal de microondas a través de la celda, la transparencia del vapor se reduce en proporción a la fuerza de la onda de radio incidente, lo que da como resultado una señal del fotodiodo que puede amplificarse. Esto significa que, a diferencia de las antenas de radio convencionales que funcionan electromagnéticamente, la radio atómica detecta directamente las ondas de radio de forma óptica.

Todavia no

Una celda de vapor disponible comercialmente, el fin comercial de un rayo atómico. Fuente: Rydberg Technologies, Inc.

En cierto sentido, un rayo atómico escucha los días antes mencionados de rayos chispeantes. Los primeros receptores de radio usaban coherentes para detectar ondas de radio que pasaban. Los coherentes eran simples tubos de vidrio llenos de limaduras de hierro que tenían contactos metálicos en cada extremo. En condiciones normales, las limaduras de hierro no serían altamente conductoras, debido a que los óxidos aislantes crean una ruta alternativa a través de las partículas sueltas del empaque. Pero una onda de radio que pasa haría que las limaduras se juntaran, reduciendo la resistencia a través de la coherencia y haciendo que se condujera. El paso de la onda de radio podría indicarse mediante una campana o una luz.

Por supuesto, los coherentes necesitan un dispositivo llamado ayudante, que era básicamente un solenoide para golpear suavemente el tubo y restaurar las limas de hierro a un estado suelto y no conductor. Un receptor de radio atómico no necesita tal reajuste y, como muestra un trabajo reciente de David Anderson, Rachel Sapiro y Georg Raithel, es capaz de recibir señales moduladas, AM y FM, que no eran coherentes. Sin embargo, la analogía es apropiada.

La simplicidad del radio atómico es atractiva. No hay circuitos sintonizados, ni amplificadores medianos, ni mezcladores de RF y, lo que es más importante, no hay antena en el sentido tradicional. Las ondas de radio se detectan directamente en función de cómo interactúan ópticamente con los átomos de Rydberg. Esto significa que las etapas de un receptor de radio tradicional que están sujetas a interferencias no están presentes en el radio atómico, lo que resulta en una tendencia mucho menor a hacer ruido. Y debido a que el vapor atómico de Rydberg es sensible a una amplia gama de frecuencias de radio, la radio atómica es un receptor de banda ancha: el que se muestra en el documento anterior tenía un rango de cuatro octavas, desde la banda C a la banda Q, o 4 GHz. a 50 GHz.

Viviendo en estéreo

Más recientemente, Christopher Holloway et al en el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología mostró un rayo nuclear que puede recibir dos señales a la vez. La celda de vapor de este rayo contenía una mezcla de cesio y rubidio, y cada canal requería dos láseres: uno para saturar cada especie a transparencia y otro para investigar la RF. Se tocaron dos guitarras en amplificadores de sonido (los autores intentaron notar que los amplificadores tenían ganadores que van a 11), que se usaron para modular dos generadores de señales de microondas a diferentes frecuencias en el rango de 20 GHz. Los láseres de sonda se dirigieron a través de la celda y en dos fotodiodos separados mediante separadores ópticos, lo que resultó en un rayo atómico estéreo.

Receptor de radio atómico de dos canales. Una mezcla de cesio y rubidio se excita a los estados de Ryberg y se investiga en busca de cambios en la transparencia óptica a dos frecuencias diferentes mediante láseres de diferentes longitudes de onda. Fuente: CL Holloway, MT Simons, AH Haddab, CJ Williams y MW Holloway, AIP Advances 9, 065110 (2019). https://doi.org/10.1063/1.5099036

La radio atómica es a la vez simple y compleja: simple porque pasa por alto la mayoría de los circuitos receptores de radio tradicionales y detecta ondas de radio directamente, pero compleja porque requiere un laboratorio físico lleno de láseres y ópticas para operarla. Por lo tanto, no es probable que los simples aficionados construyan pronto sus propios rayos atómicos, y los radioaficionados no demolerán sus antenas semidipolares en favor de las células de vapor de cesio. Pero la radio atómica tiene mucho potencial, especialmente en aplicaciones de comunicación en el espacio profundo, y si se puede miniaturizar lo suficiente, solo podríamos ver otra compensación de la teoría cuántica.

  • Ostraco dice:

    “… pero complejo porque se necesita un laboratorio físico lleno de láseres y ópticas para operarlo”.

    Sospecho que podremos reducir eso porque no se necesita gran parte de esa nube para funcionar.

    • Dan Maloney dice:

      Oh, absolutamente. Puedo ver la posibilidad de que esto se miniaturice en el chip en algún momento. Eso abrirá algunos programas reales de Star Trek: te estoy mirando, kombadge …

    • Hirudinea dice:

      Entonces, ¿cuándo puedo obtener el nuevo Motorola Lazr?

      • Steven dice:

        Tan pronto como Motorola comience a construir cosas nuevamente.

  • Ren dice:

    Interesante artículo, gracias Dan!
    Cosas nuevas para mi.

    • Dan Maloney dice:

      ¡No, gracias! Espero con ansias el día en que los radioaficionados se quejen de los jóvenes con sus elegantes rayos nucleares. “Érase una vez que colgamos cables de los árboles y trabajamos con todos los continentes, ¡y nos gustó de esa manera!”

      • DainBramage dice:

        ¡Operar en todos los continentes entre 4 y 50 GHz sería una gran hazaña!

        • Anders dice:

          Bueno, lo haría con relés satelitales, porque esas frecuencias son estrictamente LOS.

      • KillerSpud dice:

        Sospecho que todavía necesitará esos cables para transmitir. Al menos un poco …

  • Doc dice:

    ¿Qué tan bien recibes las señales?

    • raelik dice:

      Puedo imaginar. Los átomos de Rydberg son muy sensibles a las ondas de radio que alteran sus electrones, lo que hace que esto funcione. El SNR sería asombroso porque no hay etapas adicionales con pistas o inductores para captar cualquier interferencia.

      • Comedias dice:

        Todavía tiene esa fuente central de ruido, diodo y amplificador.

    • Cierto dice:

      Sospecho que el ruido de Johnson-Nyquist no sería el factor limitante, por lo que mi conjetura sería extremadamente sensible.

      • Cierto dice:

        Aunque después de una lectura rápida de su periódico, espero que las cosas hayan progresado “Si bien el rango dinámico alcanzado entre 20 dB y 30 dB es ligeramente menor que los estándares de radio, vemos una oportunidad considerable para mejorar nuestra unidad de demostración”.

        Porque de 20 a 30 dB de rango dinámico, con una sensibilidad extrema limitaría las aplicaciones.

    • Alan dice:

      También mi pregunta. Me refiero a que un clip también es una antena.

      • Kurt dice:

        Mi antena LTE de clip de papel favorita: https://youtu.be/i2h2DbwIeRM

  • echodelta dice:

    Sería mejor llamar a esto un detector y no una radio completa. Lo que sale del diodo es lo mismo que cualquier otro rayo. Ahora se necesita mucho más procesamiento para extraer la señal deseada. Yo lo llamaría detector de plasma de microondas sin antena de bocina. Esas tiras IF funcionan mucho. La demostración estéreo es redundante, ya que muchos canales de audio pueden ser multicanal en este modo de banda ancha. Más como antenas polarizadas.

  • Protagonista de Hiro dice:

    “No hay circuitos sintonizados, ni amplificadores intermedios”,
    “Esto significa que las etapas de un receptor de radio tradicional que están sujetas a interferencias no están presentes en la radio atómica, lo que resulta en una tendencia mucho menor a hacer ruido”.
    “La radio atómica es un receptor de banda ancha: el que se muestra en el documento anterior tenía un rango de cuatro octavas, desde la banda C a la banda Q, o de 4 GHz a 50 GHz”.

    Sí, para un receptor práctico, aún necesitará esos molestos circuitos sintonizados y amplificadores de rango medio para filtrar toda la señal en ese rango que no desea …

    • Robert Keyes dice:

      Estoy de acuerdo con el telegrama Hiro. Esto no tiene mucho sentido a menos que se explique de manera errónea e inexacta.

    • Maave dice:

      La configuración del láser configura el receptor atómico. No obtienes todas las frecuencias a la vez, solo por lo que configuraste. Se describe con más detalle en el artículo de investigación.

    • Leo Packer dice:

      Así es. Si un receptor de banda ultra ancha sin circuitos sintonizados tiene una menor propensión a hacer ruido porque no tiene todas esas molestas etapas tradicionales, entonces ¿por qué no probar el convencional? receptor de radio sin todos esos circuitos extra sintonizados y filtros estrechos y vea cuánto ruido no capta.
      Y solo conozco la arquitectura SDR, pero dijiste receptores de radio tradicionales. Sdr funciona mejor con filtros de paso de banda y circuitos configurados que se supone que capturan ruido, entonces, ¿cómo se explica eso?
      La definición de ruido es una señal no deseada, por lo que si la señal a la que te diriges tiene realmente 46 GHz de ancho y pasa por un conducto para que puedas controlar las señales externas, habrá mucho ruido allí.
      ¿No es así?

  • S. Erbia dice:

    ¡No sabía que Tesla era italiano!

  • Joshua Beyer dice:

    Si antes pensabas que los nerds sdr eran intolerables … genial, lee eso. huraon

  • RoboMonkey dice:

    ¡Justo a tiempo para 5G!

  • AMA dice:

    “Los coherentes eran simples tubos de vidrio llenos de limaduras de hierro que tenían contactos de metal en cada extremo”.

    Pensé que eran níquel, dice Wikipedia, una mezcla de níquel y polvo de plata. Otra fuente dice que la versión de Marconi era polvo de níquel con un 4% de polvo de plata y un rastro de mercurio entre electrodos de plata sellados herméticamente en vidrio por alambres de platino. El hierro funciona, por lo que aparentemente funcionan muchos otros metales, cobre, aluminio, plata, latón, zinc y grafito.

  • Comedias dice:

    Creo que necesitas una nueva nomenclatura. Si escribe sobre procesos cuánticos, “detectar ópticamente” es un proceso macro y no muy descriptivo. La interacción de fotones y electrones es Electrodinámica Cuántica. ¿Quizás llamarlo detector electrodinámico? ¿O quizás QED Radio? Receptor SuperFeynmandyne (mi favorito)?

    • Ren dice:

      ES la radio?
      ¡Todo fácil!
      B ^)

  • jafinch78 dice:

    Sí, creo que son los interferómetros Fabry-Pérot los que ahora están en un chip. Todavía no estoy seguro acerca de Michelson y otros chips de interferómetro disponibles en la corriente principal. Definitivamente existen sistemas MIMS.

    Una pequeña pista, aunque últimamente me he estado preguntando por qué nadie ha creado todavía un receptor de interferómetro láser de banda ancha. Parece simple y rentable con una cámara de alta velocidad o incluso mejores sensores de actualización de gama alta en una cuadrícula de cartuchos, especialmente con las dos últimas publicaciones en interferómetros rentables. La cámara web tendrá un problema de fps … así que lo ideal es que la cámara más rápida sea la más adecuada. Los fotosensores vienen con tasas de relajación / excitación más baratas y obviamente más rápidas para detectar frecuencias más altas con mayor facilidad. ¿Se pregunta cuál es el componente de sensor rentable de mayor frecuencia? Los diodos térmicos pueden ir al rango de THz y pensé que los fotodiodos tal vez … aunque cuanto más lo pienso … generalmente se usan en sistemas de modulación de pulso en el rango de kHz … así que lo más probable es que no sean el candidato óptimo. Ideas?

    Definitivamente más factible que la celda de vapor atómico de Rydberg para los laicos; porque no estoy seguro de qué isótopo de cesio y rubidio se usa mejor incluso (supongo que formas comunes estables) y no estoy seguro de cuántos sopladores de vidrio querrían probar. Una vez más, ser más inteligente probablemente compensará mi experiencia, por lo que puede ser más fácil de lo que la mayoría cree.

    Sin embargo, es interesante que en cualquier escenario los detectores limitan las capacidades de detección de frecuencia.

  • d000000d dice:

    Nadie más lo dijo, así que déjame ser yo quien oficialmente llame a esto el “Coherente Atómico”.

    • Comedias dice:

      Detector SuperFeynmandyne.

  • Kyrylo dice:

    Tampoco Alexander Popov.

América Aguilar
América Aguilar

Deja una respuesta

Tu dirección de correo electrónico no será publicada. Los campos obligatorios están marcados con *