Атомы против антенн: российские ученые предложили новые схемы квантового детектора

Учёные Томского государственного университета создали метод регистрации закрученных радиоволн - электромагнитных колебаний с особой винтообразной структурой. Результаты исследования опубликованы на сайте вуза. В чём суть открытия и почему оно важно?

Закрученные радиоволны интересны тем, что их орбитальный угловой момент может использоваться как дополнительная степень свободы для кодирования информации.

Что такое закрученные радиоволны?

Обычные радиоволны описываются тремя параметрами: частотой, амплитудой и поляризацией. Но есть ещё одна возможная характеристика - орбитальный угловой момент. Благодаря ему:

• фаза волны закручивается спиралью вокруг оси распространения;
• фронт волны приобретает форму винта или штопора;
• появляется возможность передавать несколько сигналов одновременно на одной частоте (за счёт формирования отдельных пространственных режимов).

Главная сложность это эффективно распознавать эти режимы без громоздких антенн и сложного пространственного анализа.

Ученые ТГУ предложили новые схемы квантового детектора.

Решение томских физиков: ридберговские атомы

Исследователи предложили использовать ридберговские атомы особое состояние материи, где один из электронов удалён далеко от ядра и обладает очень большим главным квантовым числом. У таких атомов есть важные свойства:

• крупные размеры;
• сверхчувствительность к слабым электромагнитным полям, включая радиоволны.

Именно поэтому их всё чаще применяют как высокочувствительные квантовые приёмники радиосигналов.

Как работает экспериментальная установка?

Установка состоит из стеклянной камеры с ридберговскими атомами, которую освещают лазером. Процесс детектирования выглядит так:

1. Закрученная радиоволна воздействует на атомы.
2. Из‑за этого энергетические уровни атомов немного смещаются.
3. Смещение отражается на интенсивности света, проходящего через среду.
4. Изменения оптического сигнала позволяют восстановить параметры радиоволны.

Ключевой элемент метода - квантовая когерентность: атомные уровни синхронно реагируют на воздействие лазера и радиоволны. Атом «запоминает» фазу воздействующего поля, и это фиксируется через изменение оптического отклика среды.

Два подхода к детектированию

Учёные описали два способа регистрации закрученных волн:

1. На основе недипольных переходов. Используются крайне редкие переходы между состояниями ридберговских атомов. Они напрямую реагируют на орбитальный угловой момент радиоволны.
2. С помощью массива миниатюрных датчиков. Применяется сеть ридберговских датчиков, каждый из которых точно фиксирует обычный радиосигнал по фазе. Анализируя различия в сигналах с разных точек пространства, можно реконструировать топологию закрученной волны. Этот метод быстрее и универсальнее, но сложнее в реализации.

Перспективы открытия

Разработка томских физиков показывает, что ридберговские атомы могут заменить часть классической радиоаппаратуры. Новый подход открывает возможности для:

• создания компактных сенсоров для анализа сложных радиосигналов;
• развития продвинутых коммуникационных систем (с более высокой плотностью передачи данных);
• совершенствования технологий дистанционного зондирования.

Это исследование важный шаг к новым принципам работы с радиоволнами, который может изменить будущее телекоммуникаций и измерительной техники.

Понравилась статья? Ставь лайк 👍, подписывайся на канал и жди следующих публикаций.

Открой дебетовую карту Альфа-банка и получи 500 рублей на счет