W klasycznych antenach radiowych energia fali elektromagnetycznej przekształcana jest na sygnał elektryczny, który następnie podlega demodulacji i analizie. W nowym rozwiązaniu opracowanym na Uniwersytecie Warszawskim proces ten odbywa się całkowicie optycznie – bez udziału elektroniki. Medium detekcyjne stanowi gaz rubidu umieszczony w szklanej komórce próżniowej, w którym atomy są wzbudzane do tzw. stanów rydbergowskich przy pomocy trzech stabilizowanych laserów.
Czytaj też: Splątanie kwantowe silniejsze dzięki atomom. Naukowcy z Warszawy odkryli nowy mechanizm fizyczny
Atomy w stanach rydbergowskich charakteryzują się wyjątkowo dużą podatnością na zewnętrzne pola elektromagnetyczne. Gdy do komórki dociera fala radiowa, zmienia ona rozkład poziomów energetycznych atomów, co prowadzi do emisji promieniowania podczerwonego. Rejestrowane promieniowanie zawiera bezpośrednią informację o amplitudzie i fazie odbieranych mikrofal, umożliwiając ich pełną rekonstrukcję z dokładnością charakterystyczną dla metod optycznych.
Takiej anteny jeszcze nie było – nie potrzebuje prądu do działania
Kluczowym wyzwaniem technicznym było uzyskanie stabilności i precyzji niezbędnej do odwzorowania fazy fal radiowych w sygnale optycznym. W tym celu zastosowano zestaw wnęk optycznych pełniących rolę rezonatorów stabilizujących częstotliwość laserów. Dodatkowo wykorzystano kryształ nieliniowy do mieszania częstotliwości, który umożliwia wytworzenie referencyjnego promieniowania podczerwonego.
Czytaj też: Fizyka kwantowa na nowo zdefiniowana. Naukowcy znaleźli sposób na ominięcie legendarnej bariery
Pomiary prowadzone są metodą tzw. optycznej heterodyny, polegającej na porównaniu fazy i amplitudy dwóch wiązek światła – jednej pochodzącej z atomów rubidu, drugiej z układu referencyjnego. W ten sposób możliwe jest bezpośrednie obliczenie amplitudy i fazy pola mikrofalowego bez udziału elementów elektronicznych. Cały system jest zasilany wyłącznie światłem laserowym.
Zastosowanie całkowicie optycznego medium oznacza, że w detektorze nie występują żadne metalowe ani przewodzące elementy, które mogłyby zakłócać lub zniekształcać pole radiowe. Dzięki temu możliwe jest prowadzenie pomiarów całkowicie nieinwazyjnych, przy jednoczesnym zachowaniu bardzo wysokiej czułości.
Konstrukcja urządzenia pozwala również na jego miniaturyzację. W przyszłości antena może przyjąć formę niewielkiego zgrubienia na światłowodzie, przez który dostarczane będą wiązki laserowe oraz przesyłane sygnały optyczne. Umożliwi to umieszczanie takich detektorów w trudno dostępnych miejscach, z dala od źródeł zakłóceń elektromagnetycznych.
Opracowana technologia otwiera nowe możliwości w zakresie precyzyjnych pomiarów pól mikrofalowych, kalibracji instrumentów i analizy sygnałów radiowych. Jej potencjalne zastosowania obejmują systemy telekomunikacyjne, radarowe, nawigacyjne oraz badania atmosferyczne i kosmiczne. Dzięki wysokiej czułości, łatwości kalibracji i możliwości pracy bez ingerencji w badane pole, anteny oparte na atomach rydbergowskich mogą stać się fundamentem nowej generacji sensorów kwantowych.
Jak podkreśla dr hab. Michał Parniak, kierujący zespołem badawczym, technologia rozwijana jest obecnie również w kontekście współpracy z Europejską Agencją Kosmiczną, w ramach projektu “Optyczne Technologie Kwantowe” finansowanego z programu Fundusze Europejskie dla Nowoczesnej Gospodarki (FENG) i Narodowego Centrum Nauki. Wyniki badań opublikowano w czasopiśmie Nature Communications.