Για πρώτη φορά, μια ομάδα Αμερικανών ερευνητών χρησιμοποίησε αισθητήρες που περιέχουν άτομα Rydberg σε κατάσταση υψηλής διέγερσης για να ανιχνεύσει σήματα από έναν κοινό ασύρματο χειρός.
Μέσω μιας προσεκτικής προσέγγισης στην αποδιαμόρφωση των εισερχόμενων σημάτων, ο Noah Schlossberger και οι συνεργάτες του στο Εθνικό Ινστιτούτο Προτύπων και Τεχνολογίας (NIST) κατάφεραν να ανακτήσουν ήχο κωδικοποιημένο σε πολλαπλά δημόσια ραδιοφωνικά κανάλια. Η έρευνα αυτή, που δημοσιεύθηκε στο Physical Review Applied, έχει πολλά υποσχόμενες προεκτάσεις για καθημερινές χρήσεις στα καταναλωτικά ηλεκτρονικά είδη.
Η φύση των ατόμων Rydberg
Σε ένα άτομο Rydberg, ένα μεμονωμένο ηλεκτρόνιο διεγείρεται σε ένα εξαιρετικά υψηλό επίπεδο ενέργειας, απομακρύνοντάς το πολύ από τον πυρήνα του ατόμου. Από απόσταση, αυτά τα άτομα μοιάζουν με ένα μόνο ηλεκτρόνιο που περιφέρεται γύρω από ένα θετικά φορτισμένο ιόν.
Όταν οποιοδήποτε άτομο εκτίθεται σε ένα εξωτερικό ηλεκτρικό πεδίο, οι θέσεις των ενεργειακών επιπέδων των ηλεκτρονίων του μετατοπίζονται μέσω μιας διαδικασίας που ονομάζεται φαινόμενο Stark.
Ωστόσο, σε ένα άτομο Rydberg, η μετατόπιση γίνεται πολύ πιο έντονη, προκαλώντας ιδιαίτερα εντυπωσιακές αλλαγές στα φασματικά πρότυπα που παράγονται όταν το άτομο εξετάζεται από ένα λέιζερ.
Αξιοποίηση ενός ανεκμετάλλευτου δυναμικού
Αυτό το φαινόμενο σημαίνει τελικά ότι τα άτομα Rydberg είναι ιδανικά ως αισθητήρες ηλεκτρικού πεδίου, μια πιθανότητα που ο επικεφαλής της ομάδας του έργου Rydberg Sensor, Christopher Holloway, άρχισε να διερευνά το 2009. Η ομάδα του Holloway συνειδητοποίησε σύντομα ότι οι δυνατότητες ήταν πολύ πιο ευρείες από ό,τι αρχικά αναμενόταν.
Μια από τις πιο ενδιαφέρουσες εφαρμογές είναι οι δέκτες που βασίζονται σε άτομα, όπου αυτοί οι αισθητήρες λειτουργούν σαν κεραία για την ανίχνευση του σήματος και εκτελούν αυτόματα την αποδιαμόρφωση και την υποβιβαστική μετατροπή συχνότητας.
Θεωρητικά, αυτοί οι δέκτες Rydberg θα μπορούσαν να εξαλείψουν πολλές από τις συσκευές και τα ηλεκτρονικά εξαρτήματα της πρόσοψης σε σύγκριση με τους συμβατικούς δέκτες.
Στρατηγική αποδιαμόρφωσης σημάτων εκτός εργαστηρίου
Βασιζόμενη στα προηγούμενα αποτελέσματα του έργου, η ομάδα του NIST εφάρμοσε τώρα την αρχή εκτός εργαστηρίου για να ανιχνεύσει πραγματικά ηχητικά σήματα κωδικοποιημένα στις ραδιοσυχνότητες που παράγονται από συνηθισμένους ασυρμάτους.
Το κλειδί εδώ είναι ότι οι ραδιοσυχνότητες που χρησιμοποιούνται στους φορητούς ασυρμάτους είναι μακριά από τους φυσικούς συντονισμούς του ατόμου, οπότε ενώ τα άτομα μπορούν να αισθανθούν την ακτινοβολία, δεν ανταποκρίνονται στη διαμόρφωση συχνότητας στην οποία είναι κωδικοποιημένος ο ήχος.
Για να αντιμετωπίσουν αυτή την πρόκληση, οι ερευνητές συνδύασαν το εισερχόμενο ραδιοφωνικό σήμα με το δικό τους τεχνητό σήμα. Ρυθμίζοντας τη συχνότητα αυτού του προστιθέμενου σήματος εξαιρετικά κοντά στο σήμα που μετρήθηκε, δημιούργησαν ένα πρότυπο εποικοδομητικής και καταστροφικής παρεμβολής.
Επιτυχής ανάκτηση ομιλίας και μελλοντικές εφαρμογές
Από τα φασματικά πρότυπα που προέκυψαν, η ομάδα του NIST μπόρεσε να ανιχνεύσει καθαρά τα ηχητικά σήματα που μεταδίδονταν από έναν ασύρματο, ανακτώντας συνεκτική ομιλία. Επιπλέον, επειδή τα άτομα ανταποκρίνονται σε ένα πολύ ευρύ στιγμιαίο εύρος ζώνης, το σύστημα μπορεί να ανιχνεύσει και τα 22 δημόσια διαθέσιμα κανάλια Family Radio Service ταυτόχρονα.
Αυτό επέτρεψε στους ερευνητές να παρακολουθούν πολυάριθμα ραδιοφωνικά κανάλια ταυτόχρονα, αντί να συντονίζονται σε αυτά μεμονωμένα. Συνολικά, τα αποτελέσματα της ομάδας θα μπορούσαν να έχουν ελπιδοφόρες επιπτώσεις για τη χρήση των αισθητήρων ατόμων Rydberg πέρα από το εργαστήριο, σηματοδοτώντας ένα σημαντικό βήμα προς την εφαρμογή τους στον πραγματικό κόσμο.
