Фізики Національного інституту стандартів і технологій передали пряму трансляцію телепрограми та відеогри з приставки через приймач на рідбергових атомах. Атоми навчили сприймати радіосигнал на частоті 3 мегагерц та передавати його за допомогою лазера, який проходив крізь них. Так вони передали дійсні кольори аналогового відеосигналу, поки вчені грали у приставку. Препринт статті, де фізики детально описали технологію, опублікований на arXiv.
V.T Neylon, Rydberg Atom Project at NIST
Що таке рідбергові атоми?
Рідберговими атомами називають такі атоми, у яких один з електронів знаходиться у настільки збудженому енергетичному стані, що здатен «роздути» атом, віддаляючись від ядра, у тисячу разів — майже до макроскопічних розмірів. У збудженому стані електрона, його головне квантове число n, яке напряму пов'язане із основними атомними властивостями, дає можливість їх, так само як і розмір атома, масштабувати. Так в атомах у рідберговому стані росте час життя, дипольний момент і поляризовність, а пара таких атомів вже може взаємодіяти на більших відстанях один від одного. І такий стан атомів надзвичайно приваблює фізиків, тож за останнє десятиліття їх використовують у великій кількості галузей від датчиків до квантових симуляторів.
Навіщо фізикам стримити через атоми?
Однією з особливостей рідбергових станів, яку можна пристосувати до побутового життя є те, що через великий радіус орбіти, на якій знаходиться той самий електрон, рідбергові атоми стають чутливими до електричних полів і дають можливість розрізняти поля у діапазоні хвиль до терагерцових. Тож рідбергові атоми вже активно беруть участь у калібрувальних вимірюваннях у відповідності із міжнародною системою одиниць. А рік тому, наприклад, завдяки рідберговим атомам вдалося вперше вдалося побудувати так зване атомне радіо та записати і передати AM-радіохвилею музичну гітарну композицію.
У своїй новій роботі дослідники з Національного інституту стандартів і технологій вирішили уточнити, наскільки чутливими можуть бути атоми у рідберговому стані та продемонструвати роботу атомів не лише у передаванні звуку, а і відео у прямому ефірі.
Як зібрати атомний телевізор?
Для своїх експериментів вчені взяли діодний лазер із довжиною хвилі у 780 нанометрів, який мав проходити крізь газ атомів рубідію-85 та виступати у ролі зонда, тобто отримувати інформацію від атомів. Також, щоб забезпечити когерентність атомам, їх просвічували лазером на довжині хвилі 480 нанометрів. Він мав зробити ці атоми «прозорими» для лазера-зонда завдяки ефекту електромагнітно індукованої прозорості. Потрапляючи у створене другим лазером «вікно» на ширині променя у 85 мікрометрів, перший отримував можливість зчитувати зміни у спектрі поглинання атомів, які провокували появою радіохвильового поля.
Так, стежачи за станом зондованого лазером атома можна відновити амплітуду хвилі і сигнал, який вона переносить, а отже і передану редіосигналом інформацію, яку можна конвертувати у відео. Резонанс між сусідніми рідберговими станами атома відповідає різним радіочастотам. Для приймання відеосигналу обидва лазери синхронізували на переходи 5S1/2→5P3/2 та 5P3/2→5OD5/2. Частота радіохвильового поля у 17,0434 гігагерца, яка і несла сигнал, резонувала із переходом 5P3/2→5OD5/2 та використовувала перетворення зсуву рівня енергії атомів на амплітудну модуляцію сигналу лазера, що вчені виявляли за допомогою фотодетектора і передавали на електронно-променеву трубку, яка і виступила телевізором.
Схема експерименту. Nikunjkumar Prajapati et al. / arXiv, 2022
Що показують по атомному телебаченню?
Найменше втратам і шумам піддавався відео сигнал, якщо приймали його лазером на 85 мікрометрів. Шляхом оптимізації часу відгуку атомів фізики змогли досягти не тільки чіткого відеоприймання, але й захоплення інформації про колір, передаючи відео у відповідності до цілком традиційного стандарту NTSC 480i. Оскільки для демодуляції колірної інформації потрібно більш висока смуга пропускання (приблизно 3 мегагерци), ніж для чорно-білої, то вчені використали додаткову опорну частоту у 3,58 мегагерца для передавання кольорів. Ефективність рідбергових атомів продемонстрували зокрема підключивши ігрову приставку — у гру можна було грати в режимі реального часу протягом декількох годин без втрати сигналу та чіткості його кольорів, що свідчить про стабільність сигналу. Так вдалося досягти швидкості передавання даних до 249 мегабітів на секунду та продемонструвати, що рідберговим атомам є місце навіть у телевізорах.
Передавання кольорів порівняно із різними налаштуваннями лазера. Nikunjkumar Prajapati et al. / arXiv, 2022
Також раніше ми розповідали про атоми рубідію-87, у хмарі яких фізики навчилися керувати субвипромінюванням та у перспективі також зможуть це використати для передавання інформації.