Prepárate para la radio atómica

El diseño básico de la antena de radio no ha cambiado en un siglo. La antena suele ser un conjunto de varillas de metal de aproximadamente la mitad del tamaño de la longitud de onda para la que están diseñadas. El campo eléctrico en una onda de radio que pasa acelera los electrones dentro de estas varillas, convirtiendo la energía de la onda en una pequeña corriente eléctrica que puede amplificarse.

Pero a los físicos les encantaría hacer antenas más capaces y seguras. Sería bueno, por ejemplo, si las antenas simples pudieran recibir una gama más amplia de longitudes de onda y fueran más resistentes a la interferencia electromagnética.

Entra David Anderson en Rydberg Technologies en Ann Arbor, Michigan, y un par de colegas, que han reinventado la antena desde cero. Su nuevo dispositivo funciona de una manera completamente diferente a las antenas convencionales, utilizando un láser para medir la forma en que las señales de radio interactúan con ciertos tipos de átomos.

El ingrediente secreto del nuevo dispositivo son los átomos de Rydberg. Estos son átomos de cesio en los que los electrones exteriores están tan excitados que giran alrededor del núcleo a gran distancia. A estas distancias, los niveles de energía potencial de los electrones están muy juntos, y esto les da propiedades especiales. De hecho, cualquier pequeño campo eléctrico puede empujarlos de un nivel a otro.

Las ondas de radio consisten en campos eléctricos alternos que interactúan fácilmente con cualquier átomo de Rydberg con el que se encuentren. Esto los convierte en sensores potenciales.

Pero, ¿cómo detectar esta interacción? Un gas hecho de átomos de Rydberg tiene otra propiedad que resulta útil: puede volverse transparente mediante un láser sintonizado a una frecuencia específica. Este láser esencialmente satura la capacidad del gas para absorber la luz, permitiendo que otro rayo láser lo atraviese.

Sin embargo, la frecuencia crítica a la que esto sucede depende de manera crucial de las propiedades de los átomos de Rydberg en el gas. Cuando estos átomos interactúan con las ondas de radio, la frecuencia crítica cambia en respuesta.

Esa es la base de la detección por radio. Anderson y compañía crean un gas de átomos de cesio excitados en estados de Rydberg. Luego usan un láser sintonizado a una frecuencia específica para hacer que el gas sea transparente.

Finalmente, hacen brillar un segundo láser a través del gas y miden cuánta luz se absorbe, para ver cómo varía la transparencia con las ondas de radio ambientales.

La señal de un fotodiodo sensible a la luz simple revela la forma en que las señales de radio se modulan en frecuencia o en amplitud.

Y eso es todo: una antena que consiste en una nube de átomos de cesio excitados, golpeados por una luz láser que parpadea al ritmo de cualquier onda de radio ambiental. Lo llaman radio atómica.

Anderson y compañía han puesto a prueba su dispositivo usando microondas y dicen que funciona bien. Demostramos un receptor basado en átomos para comunicación de microondas AM y FM, dicen.

Entre sus ventajas sobre las antenas convencionales está la gran variedad de señales que puede detectar: ​​más de cuatro octavas desde la banda C hasta la banda Q, o longitudes de onda de 2,5 a 15 centímetros. La antena en sí es una pequeña celda de vapor que puede crear y retener gas de cesio excitado en átomos de Rydberg.

Pero quizás lo más revolucionario es que la detección no involucra circuitos de radio convencionales. El receptor de ondas de radio atómicas funciona mediante la detección óptica directa en tiempo real de la respuesta atómica a las señales de banda base AM y FM, lo que elimina la necesidad de la demodulación tradicional y la electrónica de acondicionamiento de señales, dicen Anderson y compañía.

Eso significa que el dispositivo debe ser más o menos insensible al tipo de interferencia electromagnética que puede inutilizar las antenas convencionales.

Para probar el dispositivo, el equipo lo utilizó para recibir señales de microondas AM y FM de una grabación de una voz humana cantando Mary Had a Little Lamb. La radio atómica demostrada exhibe un buen rendimiento en toda la banda de audio humana, dicen.

La nueva antena no es perfecta. Por ejemplo, su rango dinámico es un poco menor de lo que normalmente se espera por radio. Pero el equipo es optimista de que se puede mejorar significativamente.

Las radios atómicas están en camino.

Ref: arxiv.org/abs/1808.08589 : Un receptor atómico para radiocomunicaciones AM y FM

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