Los “auriculares” de cobre aumentan la sensibilidad del receptor de radio atómico del NIST, que está compuesto por un gas de átomos de cesio preparado en un estado especial dentro del recipiente de vidrio. Cuando una antena ubicada encima de la configuración envía una señal de radio, los auriculares aumentan cien veces la fuerza de la señal recibida. Crédito:NIST
Investigadores del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST, por sus siglas en inglés) han aumentado cien veces la sensibilidad de su receptor de radio atómico al encerrar un pequeño cilindro de vidrio de átomos de cesio dentro de lo que parecen "auriculares" de cobre personalizados.
La estructura, un bucle superior cuadrado que conecta dos paneles cuadrados, aumenta la señal de radio entrante, o campo eléctrico, que se aplica a los átomos gaseosos en el matraz (conocido como celda de vapor) entre los paneles. Esta mejora permite que el receptor de radio detecte señales mucho más débiles que antes. La demostración se describe en un nuevo artículo.
La estructura de los auriculares es técnicamente un resonador de anillo dividido, que actúa como un metamaterial, un material diseñado con estructuras novedosas para producir propiedades inusuales. "Podemos llamarlo una estructura inspirada en metamateriales", dijo el líder del proyecto NIST, Chris Holloway.
Los investigadores del NIST demostraron previamente el receptor de radio basado en átomos. Un sensor atómico tiene el potencial de ser físicamente más pequeño y funcionar mejor en entornos ruidosos que los receptores de radio convencionales, entre otras posibles ventajas.
La celda de vapor tiene aproximadamente 14 milímetros (mm) de largo con un diámetro de 10 mm, aproximadamente del tamaño de una uña o un chip de computadora, pero más gruesa. El bucle superior del resonador mide unos 16 mm de lado y las cubiertas de los oídos tienen unos 12 mm de lado.
El receptor de radio NIST se basa en un estado especial de los átomos. Los investigadores utilizan dos láseres de colores diferentes para preparar los átomos contenidos en la celda de vapor en estados de alta energía ("Rydberg"), que tienen propiedades novedosas, como una sensibilidad extrema a los campos electromagnéticos. La frecuencia y la fuerza de un campo eléctrico aplicado afecta los colores de la luz absorbida por los átomos, y esto tiene el efecto de convertir la fuerza de la señal en una frecuencia óptica que se puede medir con precisión.
Una señal de radio aplicada al nuevo resonador crea corrientes en el bucle superior, lo que produce un flujo magnético o voltaje. Las dimensiones de la estructura de cobre son más pequeñas que la longitud de onda de la señal de radio. Como resultado, este pequeño espacio físico entre las placas de metal tiene el efecto de almacenar energía alrededor de los átomos y mejorar la señal de radio. Esto aumenta la eficiencia del rendimiento o la sensibilidad.
"El bucle captura el campo magnético entrante, creando un voltaje a través de los espacios", dijo Holloway. "Dado que la separación del espacio es pequeña, se desarrolla un gran campo electromagnético a través del espacio".
Los tamaños de bucle y espacio determinan la frecuencia natural o resonante de la estructura de cobre. En los experimentos del NIST, el espacio era de poco más de 10 mm, limitado por el diámetro exterior de la celda de vapor disponible. Los investigadores utilizaron un simulador matemático comercial para determinar el tamaño del bucle necesario para crear una frecuencia resonante cercana a los 1,312 gigahercios, donde los átomos de Rydberg cambian de nivel de energía.
Varios colaboradores externos ayudaron a modelar el diseño del resonador. El modelado sugiere que la señal podría hacerse 130 veces más fuerte, mientras que el resultado medido fue aproximadamente cien veces mayor, probablemente debido a pérdidas de energía e imperfecciones en la estructura. Un espacio más pequeño produciría una mayor amplificación. Los investigadores planean investigar otros diseños de resonadores, celdas de vapor más pequeñas y diferentes frecuencias.
Con un mayor desarrollo, los receptores basados en átomos pueden ofrecer muchos beneficios sobre las tecnologías de radio convencionales. Por ejemplo, los átomos actúan como antena y no hay necesidad de dispositivos electrónicos tradicionales que conviertan las señales a diferentes frecuencias para su entrega porque los átomos hacen el trabajo automáticamente. Los receptores atómicos pueden ser físicamente más pequeños, con dimensiones de escala micrométrica. Además, los sistemas basados en átomos pueden ser menos susceptibles a algunos tipos de interferencia y ruido. La demostración de NIST agrega capacidad clave a las comunicaciones de radio basadas en átomos
