Awọn ọta Rydberg ṣe awari awọn ifihan agbara ti o han gbangba lati inu redio amusowo kan

Awọn olugba kuatomu kan gbe ifihan agbara Walkie-Talkie kan - Ati pe Eyi Yi Ohun gbogbo pada

Fun ewadun, ibaraẹnisọrọ redio ti gbarale imọ-ẹrọ ipilẹ kanna: awọn eriali irin ti n yi awọn igbi eletiriki pada sinu awọn ifihan agbara itanna. O ṣiṣẹ, ṣugbọn o wa pẹlu awọn opin ti ara lile - awọn idiwọ iwọn, awọn ihamọ igbohunsafẹfẹ, ati ailagbara si kikọlu. Bayi, awọn oniwadi ti ṣe afihan ohun kan ti o le tun awọn ofin kọ patapata. Lilo awọn ọta Rydberg - awọn ọta pẹlu awọn elekitironi inudidun si awọn ipinlẹ agbara ti o ga julọ - awọn onimo ijinlẹ sayensi ti ṣaṣeyọri aṣeyọri ti o han gbangba, awọn ifihan agbara oye ti o tan kaakiri lati inu redio amusowo boṣewa kan. Eyi kii ṣe ilọsiwaju laabu kekere kan. O jẹ ẹri-ti-ero pe fisiksi kuatomu le rọpo imọ-ẹrọ eriali ti ọrundun pẹlu nkan ti o ga julọ, ati pe awọn ipa ti o fa lati awọn ibaraẹnisọrọ olugbeja si bii awọn iṣowo lojoojumọ ṣe ṣakoso awọn iṣẹ ṣiṣe ati isopọmọ wọn.

Kini Awọn Atomu Rydberg ati Kilode ti O yẹ ki O Bikita?

Atọmu Rydberg jẹ atomu ninu eyiti ọkan tabi diẹ ẹ sii awọn elekitironi ti ni itara si nọmba kuatomu akọkọ ti o ga pupọ - nigbami de awọn iye ti 50, 100, tabi kọja. Ni awọn ipele wọnyi, elekitironi n yipo ni awọn aaye ti o jinna si arin ti o ni ibatan si ipo ilẹ rẹ, ti o jẹ ki atomu ṣe akiyesi pataki si awọn aaye ina ita. Atọmu Rydberg kan le jẹ awọn akoko 10,000 ti o tobi ju atomiki ilẹ-ipinlẹ aṣoju lọ, ati ifamọ rẹ si awọn iwọn itọsi itanna eleto bosipo pẹlu iwọn yẹn.

Ifamọ yii jẹ ohun ti o jẹ ki awọn ọta Rydberg wuyi bi awọn olugba redio. Awọn eriali ti aṣa gbọdọ jẹ iwọn ti ara lati baamu gigun igbi ti wọn rii - idiwọ ipilẹ kan ti o ṣe idiwọ miniaturization ati gbigba gbohungbohun. Awọn ọta Rydberg ṣe apakan eyi patapata. Ẹnu ọmu ti o kere ju apoti ibaamu kan, ti o kun fun cesium tabi awọn ọta rubidium ti o ni itara nipasẹ awọn ina lesa to peye, le ṣe awari awọn ifihan agbara kọja iwọn igbohunsafẹfẹ kan lati kilohertz si terahertz. Ninu ifihan aipẹ, awọn oniwadi ṣe aifwy olugba Rydberg wọn lati mu ifihan agbara VHF-band lati redio amusowo ti iṣowo ti n ṣiṣẹ ni ayika 150 MHz - igbohunsafẹfẹ ti awọn oludahun akọkọ, ọkọ oju-ofurufu, ati awọn eto redio iṣowo ailopin lo ni agbaye.

Ifihan agbara naa ko kan rii bi data aise. O ti yi pada ati tun ṣe bi ohun afetigbọ ti o han gbangba, ti n fihan pe awọn olugba ti o da lori Rydberg le ṣiṣẹ bi awọn ẹrọ ibaraẹnisọrọ to wulo, kii ṣe awọn iyanilenu yàrá yàrá nla nikan.

Kilode Kilode ti Iṣeyọri Yi Ṣe pataki Ju Awọn Ririnkiri Imọye Kuatomu Ti tẹlẹ lọ

Imọye kuatomu ti ṣe agbejade awọn akọle iwunilori tẹlẹ, ṣugbọn ọpọlọpọ awọn ifihan wa ni awọn agbegbe iṣakoso ni wiwọ pẹlu awọn ipo pipe. Ohun ti o ṣeto abajade yii yato si ni iwulo gidi-aye rẹ. Redio amusowo kan jẹ itagbangba lasan bi o ṣe le rii - agbara batiri, iwapọ, nṣiṣẹ ni awọn ipele agbara iṣowo boṣewa ni igbagbogbo laarin 1 ati 5 wattis. Ni otitọ pe olugba atomu Rydberg le yọ ifihan agbara ti o ṣee lo lati iru ẹrọ ti o wọpọ ṣe afihan pe imọ-ẹrọ n lọ kọja ẹri-ila-ilana si ṣiṣeeṣe imọ-ẹrọ gidi.

Awọn ọna eriali ti aṣa jiya lati ọpọlọpọ awọn idiwọn ti a mọ daradara ti awọn olugba Rydberg le bori:

• Isopọ-iwọn-igbohunsafẹfẹ: Awọn eriali ti aṣa gbọdọ jẹ ida kan ti o ṣe pataki ti igbi gigun afojusun, ṣiṣe gbigba igba-kekere nilo awọn ẹya nla ti ara. Awọn olugba Rydberg decouple iwari lati iwọn ti ara patapata.
• Awọn ihamọ bandiwidi: Pupọ awọn eriali ti wa ni aifwy si awọn ẹgbẹ igbohunsafẹfẹ dín. Awọn ọta Rydberg le wa ni aifwy kọja titobi nla kan ni irọrun nipasẹ ṣiṣatunṣe awọn igbohunsafẹfẹ laser, ṣiṣe gbigba gbigba ọrọ asọye sọfitiwia.
• Ikọlu itanna: Awọn eriali irin gbe ariwo lati awọn ẹrọ itanna ati awọn ẹya nitosi. Awọn olugba Rydberg nlo kika kika opiti, ti o jẹ ki wọn jẹ ajesara si ọpọlọpọ awọn ọna kikọlu itanna.
• Sisọsọsọsọ: Awọn olugba aṣa nilo isọdiwọn igbakọọkan lodi si awọn iṣedede itọkasi. Awọn ọta Rydberg pese awọn iwọn wiwọn ti ara ẹni ti o wa kakiri si awọn ipilẹ atomiki ipilẹ, ti o funni ni deede iwọn ni isalẹ 1% laisi awọn itọkasi ita.

Awọn anfani wọnyi ṣe alaye idi ti awọn ajọ lati DARPA si awọn ile-iṣẹ tẹlifoonu ti iṣowo ti ṣe idoko-owo lọpọlọpọ ninu iwadii atomiki Rydberg ni ọdun marun sẹhin, pẹlu igbeowo apapọ ti o kọja $100 million ni agbaye lati ọdun 2020.

Lati Awọn ile-iṣẹ Fisiksi si Ifilọlẹ aaye: Awọn italaya Imọ-ẹrọ Niwaju

Pelu idunnu naa, awọn idiwọ imọ-ẹrọ pataki wa ṣaaju ki awọn olugba Rydberg han ni awọn ọja iṣowo. Awọn ọna ṣiṣe lọwọlọwọ nilo awọn laser konge lati ṣafẹri awọn ọta si awọn ipinlẹ Rydberg wọn - ni igbagbogbo ero ifọkanbalẹ fọto meji ni lilo awọn laser ni 852 nm ati 509 nm fun awọn ọta cesium. Awọn ọna ina lesa wọnyi, lakoko ti o pọ si, tun jẹ agbara diẹ sii ati gba iwọn didun diẹ sii ju eriali waya ti o rọrun. Awọn oniwadi ni National Institute of Standards and Technology (NIST) ati ọpọlọpọ awọn ile-ẹkọ giga ti ile-ẹkọ giga n ṣiṣẹ lori awọn solusan photonic ti a ṣepọ ti o le dinku gbogbo eto opiti si ori pẹpẹ iwọn-pip.

Iduroṣinṣin iwọn otutu jẹ ibakcdun miiran. Awọn sẹẹli atomiki Rydberg ṣiṣẹ dara julọ ni awọn iwọn otutu iṣakoso, deede laarin 25°C ati 45°C, lati ṣetọju iwuwo atomu to dara julọ. Gbigbe aaye ni awọn agbegbe ti o pọju - ooru aginju, otutu arctic, tabi gbigbọn ti ọkọ gbigbe - ṣafihan awọn italaya ti awọn iṣeto yàrá ko koju. Bibẹẹkọ, awọn ilọsiwaju aipẹ ni awọn sẹẹli afẹnufẹ micro-fabricated pẹlu awọn igbona ti a ṣepọ ati ipinya gbigbona ti ṣe afihan awọn abajade ti o ni ileri, pẹlu diẹ ninu awọn apẹẹrẹ ti n ṣetọju iṣẹ ṣiṣe kọja iwọn otutu ibaramu 60°C.

Ipin ifihan-si-ariwo tun nilo ilọsiwaju fun awọn ohun elo kan. Lakoko ti ifihan redio amusowo ṣe agbejade ohun afetigbọ ti o han gbangba, ifamọ olugba tun kuna ni kukuru ti awọn olugba ti aṣa ti o dara julọ nipasẹ aijọju 10-20 dB fun awọn ifihan agbara dín. Awọn oniwadi n ba eyi sọrọ nipasẹ awọn imọ-ẹrọ bii awọn ero ifọkanbalẹ fọto-pupọ ati iṣapeye ti itanna ti o ni induced (EIT), pẹlu awọn ilọsiwaju ọdọọdun ti isunmọ 3-5 dB ti a royin ninu awọn iwe aipẹ.

Awọn ibaraẹnisọrọ Iṣowo ni Agbaye Antenna kan

Awọn ipa ti o wulo ti awọn olugba redio kuatomu gbooro daradara ju awọn ohun elo ologun ati imọ-jinlẹ lọ. Wo awọn amayederun ibaraẹnisọrọ ti awọn iṣowo ode oni dale lori lojoojumọ. Lati awọn eto redio ile itaja ati awọn nẹtiwọọki fifiranṣẹ ọkọ oju-omi kekere si awọn ọna sensọ IoT ati Wi-Fi jakejado ile, ibaraẹnisọrọ itanna n ṣe atilẹyin fun gbogbo ṣiṣan iṣẹ ṣiṣe. Imọ-ẹrọ ti o le gba kaakiri gbogbo irisi redio pẹlu ẹyọkan, ẹrọ iwapọ le jẹ ki o rọrun ni ipilẹ bi awọn iṣowo ṣe kọ ati ṣetọju awọn amayederun ibaraẹnisọrọ wọn.

Awọn imọ-ẹrọ iyipada julọ kii ṣe ilọsiwaju awọn eto ti o wa tẹlẹ - wọn mu awọn idiwọ ti o ṣe apẹrẹ wọn kuro. Awọn olugba atomu Rydberg ko ṣe awọn eriali to dara julọ; wọn jẹ ki erongba eriali kan pato-igbohunsafẹfẹ di igba atijọ.

Fun awọn iṣowo ti n ṣakoso awọn iṣẹ ṣiṣe eka kọja awọn ipo lọpọlọpọ, Layer awọn ibaraẹnisọrọ nigbagbogbo jẹ alaihan ṣugbọn igbẹkẹle pataki. Awọn iru ẹrọ biiMewayz, eyiti o ṣe idapọ awọn modulu iṣẹ ṣiṣe 207 - lati CRM ati risiti si iṣakoso ọkọ oju-omi kekere ati iṣakojọpọ ẹgbẹ - sinu OS iṣowo kan, tẹlẹ ṣafihan iye ti iṣọkan awọn ọna ṣiṣe pipin. Bi imọ-ẹrọ oye kuatomu ti dagba ati mu ki o rọ diẹ sii, ohun elo ibaraẹnisọrọ resilient, awọn iru ẹrọ sọfitiwia ti o ṣeto awọn iṣẹ iṣowo yoo di alagbara paapaa diẹ sii. Fojuinu awọn ọna ṣiṣe iṣakoso ọkọ oju-omi kekere ti o ṣetọju isopọmọ kọja eyikeyi ẹgbẹ igbohunsafẹfẹ, tabi awọn ẹgbẹ iṣẹ aaye ti awọn ibaraẹnisọrọ ni adaṣe laifọwọyi si awọn ipo iwoye agbegbe - ẹhin iṣiṣẹ ti a pese nipasẹ awọn iru ẹrọ iṣọpọ yoo jẹ pataki lati mu irọrun yẹn ṣiṣẹ.

Anfani Abojuto Spectrum

Ohun elo kan ti o sunmọ ni ibiti awọn olugba Rydberg le rii isọdọmọ ni iyara jẹ ibojuwo spectrum ati iṣakoso. Awọn ijọba ati awọn ara ilana bii FCC n na awọn ọkẹ àìmọye lọdọọdun lati ṣe abojuto lilo irisi redio, wiwa awọn gbigbe laigba aṣẹ, ati iṣakoso awọn ipin ipo igbohunsafẹfẹ. Abojuto lọwọlọwọ nbeere awọn akojọpọ oriṣiriṣi ti awọn eriali ati awọn olugba lati bo iwoye kikun — gbowolori, ọna itọju-eru.

Sensọ atomiki Rydberg kan le rọpo gbogbo oko eriali kan, ṣiṣe ayẹwo lati HF nipasẹ awọn igbohunsafẹfẹ microwave pẹlu ohun elo kan ti iwọn thermos kofi kan. Iseda iwọntunwọnsi ti ara ẹni ti awọn wiwọn atomiki tumọ si pe awọn sensosi wọnyi yoo pese awọn iwọn wiwa kakiri labẹ ofin laisi awọn akoko isọdọtun igbakọọkan ti ohun elo lọwọlọwọ n beere - ilana ti o gba awọn ibudo ibojuwo lọwọlọwọ ni offline fun awọn ọjọ ni ọdun kọọkan.

Fun awọn iṣowo ti n ṣiṣẹ ni awọn agbegbe iwoye ilana - Awọn ISP alailowaya, awọn oniṣẹ nẹtiwọọki LTE aladani, awọn ile-iṣẹ eekaderi ti nlo awọn igbohunsafẹfẹ redio ti a fun ni aṣẹ - imọ-ẹrọ yii le dinku awọn idiyele ibamu. Abojuto spekitiriumu adaṣe ti a ṣepọ pẹlu awọn iru ẹrọ ṣiṣe le ṣe asia awọn ọran kikọlu ni akoko gidi, ni ibamu pẹlu awọn idalọwọduro ibaraẹnisọrọ pẹlu data ipa iṣowo ti a tọpa ni awọn eto biiMewayzlati ṣe iwọn idiyele gangan ti awọn iṣoro spekitiriumu ati ipinnu ipinnu pataki.

Kini o ṣẹlẹ Next: Ago fun awọn olugba kuatomu

Da lori awọn itọpa iwadi lọwọlọwọ ati awọn ipele idoko-owo, awọn alafojusi ile-iṣẹ daba akoko ti o ni inira fun iṣowo olugba Rydberg. Laarin ọdun 2-3, awọn ohun elo amọja ni ibojuwo iwoye ati wiwọn imọ-jinlẹ ṣee ṣe lati de ọja. Awọn ohun elo ologun ati aabo, nibiti iwọn, iwuwo, ati awọn anfani agbara ṣe idalare awọn idiyele Ere, le rii imuṣiṣẹ aaye ni akoko kanna. Olumulo ati awọn ohun elo iṣowo gbogbogbo ti jade siwaju sii - o ṣee ṣe ọdun 7-10 - awọn aṣeyọri isunmọtosi ni miniaturization laser ati idinku idiyele.

Iparapọ pẹlu awọn imọ-ẹrọ kuatomu miiran jẹ itọnisọna. Awọn aago atomiki tẹle itọpa ti o jọra: lati awọn ohun elo yàrá ti o ni iwọn ni awọn ọdun 1950 si awọn ẹrọ iwọn-pipẹ ti o wa fun labẹ $1,500 loni. Ojuami ifasilẹ bọtini wa nigbati awọn paati photonic ti n ṣe atilẹyin - awọn lasers, awọn aṣawari, ati awọn eroja opiti - di iṣelọpọ ni iwọn. Fun awọn olugba Rydberg, aaye inflection yẹn n sunmọ bi awọn fọto ti a ṣepọ ti dagba ati inaro-cavity dada-emitting lasers (VCSELs) de awọn igbi gigun ti a beere ati awọn ipele iduroṣinṣin.

Fun awọn iṣowo ironu-iwaju, yiyọ kuro kii ṣe lati duro fun awọn olugba kuatomu lati de. O jẹ lati kọ awọn amayederun iṣiṣẹ - awọn iru ẹrọ iṣọkan, awọn ile-itumọ data rirọ, awọn iṣan-iṣẹ ibaraẹnisọrọ ti irẹpọ - ti o le fa ati mu awọn imọ-ẹrọ iyipada ṣiṣẹ bi wọn ṣe farahan. Awọn ajo ti o tiraka pupọ julọ pẹlu iyipada oni-nọmba kii ṣe awọn ti o ni ohun elo atijọ; nwọn wà awon pẹlu fragmented software awọn ọna šiše ti ko le orisirisi si. Ilé sori pẹpẹ iṣẹ isọdọkan loni, boya ṣiṣakoso awọn oṣiṣẹ 5 tabi 5,000, ṣẹda ipilẹ lati ṣe pataki lori ohunkohun ti igbi ti imudara ohun elo ti nbọ yoo ṣe.

Aworan ti o tobi julọ: Nigbati Awọn Atomu Rọpo Awọn eriali

Wiwa aṣeyọri ti ifihan agbara redio amusowo nipa lilo awọn ọta Rydberg jẹ iṣẹlẹ pataki kan ti o jẹ ti awọn akoko miiran nigbati fisiksi kuatomu salọ kuro ninu yàrá yàrá ti o wọ inu aye iṣe - transistor akọkọ, laser akọkọ, satẹlaiti GPS akọkọ ni lilo awọn iṣedede akoko atomiki. Ọkọọkan awọn imọ-ẹrọ wọnyi gba awọn ọdun mẹwa lati gbe lati ifihan si ibigbogbo, ṣugbọn ọkọọkan nikẹhin ṣe atunto awọn ile-iṣẹ ni awọn ọna ti awọn olupilẹṣẹ wọn ko sọ asọtẹlẹ rara.

Ibaraẹnisọrọ redio jẹ ile-iṣẹ agbaye ti $ 45 bilionu ti o ṣiṣẹ lori ipilẹ awọn ilana ti ara kanna lati igba gbigbe transatlantic akọkọ ti Marconi ni ọdun 1901. Olugba atomu Rydberg ko ṣe alaye lori awọn ipilẹ wọnyẹn - o rọpo wọn pẹlu nkan ti o fa lati ẹka ti o yatọ patapata ti fisiksi. Fun awọn iṣowo, awọn onimọ-ẹrọ, ati awọn onimọ-ẹrọ imọ-ẹrọ, ifihan agbara lati redio amusowo yẹn kii ṣe ohun ohun nikan. O jẹ ifiranṣẹ ti o han gbangba, ti ko ni iyanju pe ọjọ iwaju ti imọ-ẹrọ itanna ati ibaraẹnisọrọ jẹ atomiki, ati pe awọn ajo ti o wa ni ipo ti o dara julọ lati ni anfani yoo jẹ awọn ti n ṣiṣẹ tẹlẹ lori awọn iru ẹrọ rọ to lati dagbasoke pẹlu imọ-ẹrọ.