Фізики побудували перше атомне радіо і передали на нього музику (аудіо)

Физики называют ридберговским атомом сильно возбужденный атом, внешний электрон которого поднялся на очень высокий энергетический уровень. Как правило, главное квантовое число (грубо говоря, номер) такого уровня n ~ 100. Как легко догадаться, свойства ридберговского атома сильно зависят от числа n. Например, время их жизни растет как n3, дипольный момент — как n2, а поляризуемость — как n7. Другими словами, чем сильнее возбужден ридберговский атом, тем дольше он живет и тем острее чувствует внешнее электрическое поле. Кроме того, вместе с числом n растет радиус отдельного атома (R ~ n6) и характерная длина взаимодействия двух атомов (L ~ n4). Например, радиус атома водорода с n = 1000 составляет примерно 0,1 сантиметра, а время его жизни достигает одной секунды.

Теоретически эти свойства позволяют превратить ридберговские атомы в чувствительные приемники электромагнитных волн. В самом деле, благодаря большому дипольному моменту такие атомы должны очень хорошо чувствовать слабые изменения электрического поля, которые сопровождают электромагнитную волну. Следовательно, если постоянно следить за состоянием атома — например, подсвечивая его лазером, — можно восстановить амплитуду волны и сигнал, который она переносит.

Впервые идею такой установки, которую впоследствии назвали атомным радио, предложила в 2014 году группа физиков под руководством Кристофера Холлоуэя (Christopher Holloway). С тех пор ученые постепенно улучшали ее параметры — например, в начале этого года исследователи научились измерять фазу радиоволны, падающей на атомный газ. До сих пор эти исследования носили строго академический характер, но теперь ученые построили настоящее атомное радио, с помощью которого можно слушать музыку и радиопередачи. Более того, физики добавили в свое радио поддержку стереофонического звука, разные каналы которого переносятся AM-радиоволнами с разной несущей частотой.

В основе построенного радио находится полость, заполненная ридберговскими атомами и просвечиваемая двумя лазерами с разной длиной волны. Один из лазеров («связывающий») обеспечивает когерентность атомов приемника, а второй лазер («зондирующий») извлекает из него информацию. Благодаря правильной настройке «связывающего» лазера в состоянии покоя атомы приемника прозрачны для «зондирующего» лазера. При этом прозрачность достигается только в узком диапазоне частот, поэтому «зондирующий» лазер должен быть очень чистым. Если же сквозь приемник проходит радиоволна, спектр поглощения атомов смещается, и лазерное излучение начинает поглощаться. Чем больше амплитуда волны — тем сильнее потери. Следовательно, такая полость работает как приемник, принимающий AM-волны с определенной несущей частотой.

Наконец, чтобы добиться эффекта стереозвука, ученые заполнили полость сразу двумя типами ридберговских атомов, каждый из которых независимо работал со своим «связывающим» и «зондирующим» лазером. В качестве таких атомов физики выбрали цезий-133 и рубидий-87, которые принимали волны с несущей частотой 19623 и 20644 герц соответственно. Сигналы от «зондирующих» лазеров ученые подавали на компьютер и обрабатывали с помощью бесплатной программы Audacity.