定制耳机将原子无线电接收提高100倍

　　铜＂耳机＂提高了NIST原子无线电接收器的灵敏度，该接收器由玻璃容器内以特殊状态制备的铯原子气体组成。当位于设置上方的天线向下发送无线电信号时，耳机会将接收信号的强度提高一百倍。图片来源：NIST
　　美国国家标准与技术研究院（NIST）的研究人员通过将一个小型玻璃圆柱体的铯原子封闭在看起来像定制铜＂耳机＂的东西内，将原子无线电接收器的灵敏度提高了一百倍。
　　该结构 - 连接两个方形面板的方形顶置回路 - 增加了施加到面板之间烧瓶（称为蒸汽池）中的气态原子的传入无线电信号或电场。这种增强功能使无线电接收器能够检测到比以前弱得多的信号。该演示在一篇新论文中进行了描述。
　　从技术上讲，耳机结构是一个分环谐振器，它的作用类似于超材料 - 一种具有新颖结构的材料，可产生不寻常的特性。＂我们可以称之为超材料启发的结构，＂NIST项目负责人Chris Holloway说。
　　NIST研究人员之前已经证明了基于原子的无线电接收器。原子传感器具有比传统无线电接收器在物理上更小，在嘈杂环境中工作得更好的潜力，以及其他可能的优点。
　　蒸汽池长约14毫米（mm），直径为10 mm，大致相当于指甲或计算机芯片的大小，但更厚。谐振器的顶置环路一侧约为 16 mm，耳罩一侧约为 12 mm。
　　NIST无线电接收器依赖于原子的特殊状态。研究人员使用两种不同的颜色激光器将蒸汽池中含有的原子制备成高能（＂Rydberg＂）状态，这些状态具有新颖的特性，例如对电磁场的极高敏感性。外加电场的频率和强度会影响原子吸收的光的颜色，这具有将信号强度转换为可以精确测量的光学频率的效果。
　　施加到新谐振器的无线电信号在架空环路中产生电流，从而产生磁通量或电压。铜结构的尺寸小于无线电信号的波长。因此，金属板之间的这种小物理间隙具有在原子周围存储能量并增强无线电信号的作用。这提高了性能效率或灵敏度。
　　＂环路捕获输入的磁场，在间隙上产生电压，＂Holloway说。＂由于间隙分离很小，因此在间隙上会产生较大的电磁场。
　　环路和间隙尺寸决定了铜结构的固有频率或谐振频率。在NIST实验中，间隙刚刚超过10毫米，受到可用蒸汽池外径的限制。研究人员使用商业数学模拟器来确定创建接近1.312千兆赫的谐振频率所需的环路尺寸，其中里德伯原子在能级之间切换。
　　几位外部合作者帮助对谐振器设计进行了建模。建模表明，信号可以强130倍，而测量结果大约是一百倍，可能是由于结构中的能量损失和缺陷。较小的间隙将产生更大的扩增。研究人员计划研究其他谐振器设计，更小的蒸汽池和不同的频率。
　　随着进一步的发展，基于原子的接收器可能比传统的无线电技术具有许多优点。例如，原子充当天线，不需要传统的电子设备将信号转换为不同的频率进行传输，因为原子会自动完成工作。原子接收器可以在物理上更小，具有微米级尺寸。此外，基于原子的系统可能不太容易受到某些类型的干扰和噪声的影响。