Физики Томского государственного университета разработали метод регистрации закрученных радиоволн — особых электромагнитных колебаний с винтообразной фазовой структурой, перспективных для передачи информации. Данные о достижении отечественных специалистов опубликованы на сайте учебного заведения.
Стандартные радиоволны характеризуются частотой, амплитудой и поляризацией. Но помимо этого, волна может обладать дополнительной характеристикой — орбитальным угловым моментом. Тогда ее фаза образует спираль вокруг оси распространения, а фронт напоминает форму винта или штопора. Такие волны способны формировать отдельные пространственные режимы, позволяя одновременно передавать несколько сигналов на одной частоте. Проблема заключается в том, как эффективно распознавать эти режимы без использования объемных антенн и сложного пространственного анализа.
Томские физики предлагают решение с использованием ридберговских атомов — необычного состояния материи, в котором один из электронов удален на значительное расстояние от ядра и характеризуется очень большим главным квантовым числом. Ридберговские атомы отличаются крупными размерами и сверхчувствительностью к слабым электромагнитным полям, в частности, радиоволнам.
Такие атомы все чаще применяют в качестве высокочувствительных квантовых приемников радиосигналов. Экспериментальная установка включает стеклянную камеру с ридберговскими атомами, освещаемую лазером. Под воздействием радиоволны энергетические уровни атома незначительно смещаются, что отражается на интенсивности проходящего сквозь среду света. Изменения оптического сигнала позволяют восстанавливать параметры радиоволны.
Основой метода является квантовая когерентность — синхронизированная реакция атомных уровней на воздействие лазера и радиоволны. Атом сохраняет память о фазе воздействующего поля, что фиксируется в изменении оптического отклика среды.
В статье ученых описаны два подхода к детектированию закрученных волн. Первый основан на редчайших недипольных переходах между состояниями ридберговских атомов, непосредственно реагирующих на орбитальный угловой момент радиоволны. Второй подход использует массив миниатюрных ридберговских датчиков, каждый из которых фиксирует обычный радиосигнал с высокой точностью фазы. Анализируя различия в сигналах с разных точек пространства, удается реконструировать топологию закрученной волны. Этот метод более быстродействующий и универсальный, хотя технически сложнее реализуется.
Таким образом, работа физиков продемонстрировала потенциал ридберговских атомов в выполнении функций, традиционно возлагаемых на классическую радиоаппаратуру. Предложенный подход способен проложить путь к развитию компактных сенсоров для анализа сложных радиосигналов, продвинутых коммуникационных систем и способов дистанционного зондирования.
Тем временем зарубежные специалисты разгадали столетнюю загадку теории цвета Шредингера.