Fones de ouvido personalizados aumentam a recepção de rádio atômica em 100 vezes

Os “fones de ouvido” de cobre aumentam a sensibilidade do receptor de rádio atômico do NIST, que é composto por um gás de átomos de césio preparado em um estado especial dentro do recipiente de vidro. Quando uma antena localizada acima da configuração envia um sinal de rádio, os fones de ouvido aumentam a força do sinal recebido em cem vezes. Crédito:NIST

Pesquisadores do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (NIST) aumentaram a sensibilidade de seu receptor de rádio atômico cem vezes ao colocar um pequeno cilindro de vidro de átomos de césio dentro do que parece ser "fones de ouvido" de cobre personalizados.
A estrutura - um loop quadrado suspenso conectando dois painéis quadrados - aumenta o sinal de rádio de entrada, ou campo elétrico, aplicado aos átomos gasosos no frasco (conhecido como célula de vapor) entre os painéis. Esse aprimoramento permite que o receptor de rádio detecte sinais muito mais fracos do que antes. A demonstração é descrita em um novo artigo.

A estrutura do fone de ouvido é tecnicamente um ressonador de anel dividido, que age como um metamaterial – um material projetado com novas estruturas para produzir propriedades incomuns. “Podemos chamar isso de estrutura inspirada em metamateriais”, disse o líder do projeto NIST, Chris Holloway.

Os pesquisadores do NIST demonstraram anteriormente o receptor de rádio baseado em átomos. Um sensor atômico tem potencial para ser fisicamente menor e funcionar melhor em ambientes ruidosos do que os receptores de rádio convencionais, entre outras possíveis vantagens.

A célula de vapor tem cerca de 14 milímetros (mm) de comprimento com um diâmetro de 10 mm, aproximadamente do tamanho de uma unha ou chip de computador, mas mais espessa. A alça superior do ressonador tem cerca de 16 mm de lado e as tampas dos ouvidos têm cerca de 12 mm de lado.

O receptor de rádio NIST depende de um estado especial dos átomos. Os pesquisadores usam dois lasers de cores diferentes para preparar os átomos contidos na célula de vapor em estados de alta energia ("Rydberg"), que possuem novas propriedades, como extrema sensibilidade a campos eletromagnéticos. A frequência e a intensidade de um campo elétrico aplicado afetam as cores da luz absorvida pelos átomos, e isso tem o efeito de converter a intensidade do sinal em uma frequência óptica que pode ser medida com precisão.

Um sinal de rádio aplicado ao novo ressonador cria correntes no circuito aéreo, que produz um fluxo magnético ou tensão. As dimensões da estrutura de cobre são menores que o comprimento de onda do sinal de rádio. Como resultado, esse pequeno espaço físico entre as placas de metal tem o efeito de armazenar energia ao redor dos átomos e melhorar o sinal de rádio. Isso aumenta a eficiência do desempenho, ou sensibilidade.

"O loop captura o campo magnético de entrada, criando uma tensão entre as lacunas", disse Holloway. "Como a separação da lacuna é pequena, um grande campo eletromagnético é desenvolvido através da lacuna."

Os tamanhos de loop e gap determinam a frequência natural ou ressonante da estrutura de cobre. Nos experimentos do NIST, o intervalo era de pouco mais de 10 mm, limitado pelo diâmetro externo da célula de vapor disponível. Os pesquisadores usaram um simulador matemático comercial para determinar o tamanho do loop necessário para criar uma frequência ressonante perto de 1,312 gigahertz, onde os átomos de Rydberg alternam entre os níveis de energia.

Vários colaboradores externos ajudaram a modelar o projeto do ressonador. A modelagem sugere que o sinal pode ser 130 vezes mais forte, enquanto o resultado medido foi aproximadamente cem vezes, provavelmente devido a perdas de energia e imperfeições na estrutura. Um intervalo menor produziria maior amplificação. Os pesquisadores planejam investigar outros projetos de ressonadores, células de vapor menores e diferentes frequências.

Com o desenvolvimento adicional, os receptores baseados em átomos podem oferecer muitos benefícios em relação às tecnologias de rádio convencionais. Por exemplo, os átomos atuam como antenas, e não há necessidade de eletrônicos tradicionais que convertem sinais em diferentes frequências para entrega porque os átomos fazem o trabalho automaticamente. Os receptores de átomos podem ser fisicamente menores, com dimensões em escala micrométrica. Além disso, os sistemas baseados em átomos podem ser menos suscetíveis a alguns tipos de interferência e ruído. + Explorar mais