Des “écouteurs” en cuivre augmentent la sensibilité du récepteur radio atomique du NIST, qui est composé d’un gaz d’atomes de césium préparés dans un état spécial à l’intérieur d’un récipient en verre. Lorsqu’une antenne située au-dessus de l’installation envoie un signal radio, les écouteurs multiplient par cent la force du signal reçu. Crédit : NIST
Les scientifiques du National Institute of Standards and Technology (NIST) ont multiplié par cent la sensibilité de leur récepteur radio atomique en enfermant le petit cylindre de verre d’atomes de césium dans ce qui ressemble à un “casque” de cuivre personnalisé.
La structure – une boucle aérienne carrée reliant deux panneaux carrés – amplifie le signal radio entrant, ou champ électrique, appliqué aux atomes gazeux dans la fiole (appelée cellule à vapeur) entre les panneaux. Cette amélioration permet au récepteur radio de détecter des signaux beaucoup plus faibles qu’auparavant. La démonstration est décrite dans un nouvel article publié dans la revue Applied Physics Letters.
La structure du casque est techniquement un résonateur à anneau divisé, qui agit comme un métamatériau – un matériau conçu avec de nouvelles structures pour obtenir des propriétés inhabituelles. “Nous pouvons l’appeler une structure inspirée des métamatériaux”, a déclaré Chris Holloway, chef de projet au NIST.
Les chercheurs du NIST ont précédemment démontré que le récepteur radio à base d’atomes. Un capteur atomique pourrait être physiquement plus petit et mieux fonctionner dans les environnements bruyants que les récepteurs radio conventionnels, entre autres avantages possibles.
La cellule à vapeur mesure environ 14 millimètres (0,55 pouce) de long pour un diamètre de 10 mm (0,39 pouce), soit à peu près la taille d’un ongle ou d’une puce d’ordinateur, mais plus épaisse. La boucle supérieure du résonateur mesure environ 16 mm (0,63 pouces) de côté, et les couvercles des oreilles mesurent environ 12 mm (0,47 pouces) de côté.
Le récepteur radio du NIST repose sur un état particulier des atomes. Les chercheurs utilisent deux lasers de couleur différente pour préparer les atomes contenus dans la cellule à vapeur à des états de haute énergie (“Rydberg”), qui ont des propriétés nouvelles telles qu’une sensibilité extrême aux champs électromagnétiques. La fréquence et la force d’un champ électrique appliqué affectent les couleurs de la lumière absorbée par les atomes, ce qui a pour effet de convertir la force du signal en une fréquence optique qui peut être mesurée avec précision.
Un signal radio appliqué au nouveau résonateur crée des courants dans la boucle aérienne, ce qui produit un flux magnétique, ou tension. Les dimensions de la structure en cuivre sont inférieures à la longueur d’onde du signal radio. Par conséquent, ce petit espace physique entre les plaques métalliques a pour effet de stocker l’énergie autour des atomes et de renforcer le signal radio. Cela augmente l’efficacité des performances, ou la sensibilité.
“La boucle capte le champ magnétique entrant, créant une tension à travers les espaces”, a déclaré Holloway. “Comme la séparation des entrefers est faible, un champ électromagnétique important se développe à travers l’entrefer.”
La taille de la boucle et de l’entrefer détermine la fréquence naturelle, ou de résonance, de la structure en cuivre. Dans les expériences du NIST, l’écart était légèrement supérieur à 10 mm, limité par le diamètre extérieur de la cellule de vapeur disponible. Les chercheurs ont utilisé un simulateur mathématique commercial pour déterminer la taille de la boucle nécessaire pour créer une fréquence de résonance proche de 1,312 gigahertz, où les atomes de Rydberg passent d’un niveau d’énergie à l’autre.
Plusieurs collaborateurs extérieurs ont aidé à modéliser la conception du résonateur. La modélisation suggère que le signal pourrait être rendu 130 fois plus fort, alors que le résultat mesuré était environ cent fois plus fort, probablement en raison des pertes d’énergie et des imperfections de la structure. Un espace plus petit produirait une plus grande amplification. Les chercheurs prévoient d’étudier d’autres modèles de résonateurs, des cellules de vapeur plus petites et des fréquences différentes.
Avec la poursuite du développement, atom-based receivers may offer many benefits over conventional radio technologies. For example, the atoms act as the antenna, and there is no need for traditional electronics that convert signals to different frequencies for delivery because the atoms do the job automatically. The atom receivers can be physically smaller, with micrometer-scale dimensions. In addition, atom-based systems may be less susceptible to some types of interference and noise.
Reference: “Rydberg atom-based field sensing enhancement using a split-ring resonator” by Christopher L. Holloway, Nikunjkumar Prajapati, Alexandra B. Artusio-Glimpse, Samuel Berweger, Matthew T. Simons, Yoshiaki Kasahara, Andrea Alù and Richard W. Ziolkowsk, 5 May 2022, Applied Physics Letters.
DOI: 10.1063/5.0088532
The research is funded in part by the Defense Advanced Research Projects Agency and the NIST on a Chip program. Modeling assistance was provided by collaborators from the University of Texas, Austin; City University of New York, N.Y.; and University of Technology Sydney, Australia.
