Прорыв в физике открывает новые горизонты для создания компактных устройств, способных анализировать сложные радиосигналы, разрабатывать современные коммуникационные системы и улучшать технологии радиозондирования.
Физики из Томского государственного университета разработали технику регистрации закрученных радиоволн — уникальных электромагнитных колебаний с винтообразной фазовой структурой, которые имеют потенциал для передачи информации. Результаты работы отечественных специалистов опубликованы на сайте университета.
Обычные радиоволны описываются такими характеристиками, как частота, амплитуда и поляризация. Однако, кроме этого, волна может обладать дополнительной особенностью — орбитальным угловым моментом. В таком случае ее фаза образует спираль вокруг оси распространения, а фронт напоминает винт или штопор. Эти волны могут формировать отдельные пространственные режимы, что позволяет одновременно передавать несколько сигналов на одной частоте. Сложность заключается в том, как эффективно распознавать эти режимы без использования громоздких антенн и сложного пространственного анализа.
Физики из Томска предлагают решение с применением ридберговских атомов — необычного состояния материи, при котором один из электронов находится на значительном расстоянии от ядра и характеризуется очень высоким главным квантовым числом. Ридберговские атомы имеют большие размеры и являются сверхчувствительными к слабым электромагнитным полям, в том числе радиоволнам.
Эти атомы все чаще используются в качестве высокочувствительных квантовых приемников радиосигналов. Экспериментальная установка включает стеклянную камеру с ридберговскими атомами, освещаемую лазером. Под воздействием радиоволны энергетические уровни атома немного смещаются, что отражается на интенсивности света, проходящего через среду. Изменения в оптическом сигнале позволяют восстановить характеристики радиоволны.
Метод основывается на квантовой когерентности — синхронизированной реакции атомных уровней на воздействие лазера и радиоволны. Атом сохраняет информацию 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, которые непосредственно реагируют 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 восстановить топологию закрученной волны. Этот метод более быстродействующий и универсальный, хотя технически сложнее в реализации.
Таким образом, работа физиков продемонстрировала потенциал ридберговских атомов в выполнении функций, которые традиционно выполняются классической радиоаппаратурой. Предложенный подход может открыть путь к разработке компактных сенсоров для анализа сложных радиосигналов, продвинутых систем коммуникации и методов дистанционного зондирования.
Тем временем зарубежные специалисты разгадали столетнюю загадку теории цвета Шредингера.
Фото: hi-tech.mail.ru