Préparez-vous pour la radio atomique

La conception de base de l'antenne radio n'a pas changé depuis un siècle. L'antenne est généralement un ensemble de tiges métalliques d'environ la moitié de la taille de la longueur d'onde qu'elles sont conçues pour recevoir. Le champ électrique d'une onde radio qui passe accélère les électrons à l'intérieur de ces tiges, convertissant l'énergie de l'onde en un minuscule courant électrique qui peut être amplifié.

Mais les physiciens aimeraient beaucoup rendre les antennes plus performantes et plus sûres. Ce serait bien, par exemple, si de simples antennes pouvaient recevoir une plus large gamme de longueurs d'onde et être plus résistantes aux interférences électromagnétiques.

Entrez David Anderson chez Rydberg Technologies à Ann Arbor, Michigan, et quelques collègues, qui ont réinventé l'antenne à partir de zéro. Leur nouvel appareil fonctionne d'une manière totalement différente des antennes conventionnelles, en utilisant un laser pour mesurer la façon dont les signaux radio interagissent avec certains types d'atomes.

La sauce secrète du nouvel appareil est constituée d'atomes de Rydberg. Ce sont des atomes de césium dans lesquels les électrons externes sont tellement excités qu'ils orbitent autour du noyau à une grande distance. À ces distances, les niveaux d'énergie potentielle des électrons sont extrêmement rapprochés, ce qui leur confère des propriétés particulières. En effet, tout petit champ électrique peut les pousser d'un niveau à un autre.

Les ondes radio consistent en des champs électriques alternatifs qui interagissent facilement avec tous les atomes de Rydberg qu'ils rencontrent. Cela en fait des capteurs potentiels.

Mais comment détecter cette interaction ? Un gaz composé d'atomes de Rydberg a une autre propriété qui s'avère utile : il peut être rendu transparent par un laser réglé sur une fréquence spécifique. Ce laser sature essentiellement la capacité du gaz à absorber la lumière, permettant à un autre faisceau laser de le traverser.

Cependant, la fréquence critique à laquelle cela se produit dépend de manière cruciale des propriétés des atomes de Rydberg dans le gaz. Lorsque ces atomes interagissent avec les ondes radio, la fréquence critique change en réponse.

C'est la base de la détection radio. Anderson et co créent un gaz d'atomes de césium excités dans les états de Rydberg. Ils utilisent ensuite un laser réglé sur une fréquence spécifique pour rendre le gaz transparent.

Enfin, ils font briller un deuxième laser à travers le gaz et mesurent la quantité de lumière absorbée, pour voir comment la transparence varie avec les ondes radio ambiantes.

Le signal d'une simple photodiode sensible à la lumière révèle alors la façon dont les signaux radio sont modulés en fréquence ou modulés en amplitude.

Et c'est tout : une antenne constituée d'un nuage d'atomes de césium excités, zappés par une lumière laser qui scintille au rythme des ondes radio ambiantes. Ils appellent ça la radio atomique.

Anderson et co ont mis leur appareil à l'épreuve en utilisant des micro-ondes et disent qu'il fonctionne bien. Nous faisons la démonstration d'un récepteur à base d'atomes pour la communication par micro-ondes AM et FM, disent-ils.

Parmi ses avantages par rapport aux antennes conventionnelles, il y a la vaste gamme de signaux qu'elle peut détecter - sur quatre octaves de la bande C à la bande Q, ou des longueurs d'onde de 2,5 à 15 centimètres. L'antenne elle-même est une petite cellule à vapeur qui peut créer et retenir du gaz de césium excité en atomes de Rydberg.

Mais le plus révolutionnaire est peut-être que la détection n'implique pas de circuits radio conventionnels. Le récepteur d'ondes radio atomiques fonctionne par détection optique directe en temps réel de la réponse atomique aux signaux de bande de base AM et FM, excluant le besoin d'électronique de démodulation et de conditionnement de signal traditionnelle, disent Anderson et co.

Cela signifie que l'appareil doit être plus ou moins insensible au type d'interférence électromagnétique qui peut rendre les antennes conventionnelles inutiles.

Pour tester l'appareil, l'équipe l'a utilisé pour recevoir les signaux micro-ondes AM et FM d'un enregistrement d'une voix humaine chantant Mary Had a Little Lamb. La radio atomique démontrée présente de bonnes performances sur toute la bande audio humaine, disent-ils.

La nouvelle antenne n'est pas parfaite. Par exemple, sa plage dynamique est un peu inférieure à ce que l'on attend habituellement en radio. Mais l'équipe est optimiste sur le fait qu'elle peut être considérablement améliorée.

Les radios atomiques sont en route.

Réf : arxiv.org/abs/1808.08589 : Un récepteur atomique pour la communication radio AM et FM

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