Atomarer Funksensor enthüllt Signalrichtung für sauberere Kommunikation

Forscher demonstrierten einen atomaren Sensor, der die Richtung eines eingehenden Funksignals bestimmen kann, ein weiterer Schlüsselbaustein für ein potenzielles atomares Kommunikationssystem, das kleiner sein und in rauschenden Umgebungen besser funktionieren könnte als konventionelle Technologie.

Die Fähigkeit, den "Einfallswinkel" eines Signals zu messen, hilft, die Genauigkeit von Radar und drahtloser Kommunikation zu gewährleisten, die echte Nachrichten und Bilder von zufälligen oder absichtlichen Störungen unterscheiden müssen. Ein echtes atomares Kommunikationssystem würde 5G und darüber hinaus nutzen.

Zwei verschiedenfarbige Laser bereiten gasförmige Cäsium-Atome in einem winzigen Glaskolben, oder Zelle, in hochenergetischen (Rydberg-)Zuständen vor, die neuartige Eigenschaften wie extreme Empfindlichkeit gegenüber elektromagnetischen Feldern aufweisen. Die Frequenz eines elektrischen Feldsignals beeinflusst die Farben des von den Atomen absorbierten Lichts. Ein atomarer "Mischer" nimmt Eingangssignale auf und wandelt sie in verschiedene Frequenzen um. Ein Signal dient als Referenz, während ein zweites Signal umgewandelt oder auf eine niedrigere Frequenz abgestimmt wird. Laser sondieren die Atome, um Unterschiede in Frequenz und Phase zwischen den beiden Signalen zu detektieren und zu messen. Phase bezieht sich auf die Position elektromagnetischer Wellen zueinander in der Zeit.

Der Mischer misst die Phase des abgestimmten Signals an zwei verschiedenen Orten innerhalb der atomaren Dampfzelle. Basierend auf den Phasendifferenzen an diesen beiden Orten können Forscher die Ankunftsrichtung des Signals berechnen. Um den Ansatz zu demonstrieren, maß das Team Phasendifferenzen eines 19,18-Gigahertz-Experimentalsignals an zwei Orten innerhalb der Dampfzelle für verschiedene Einfallswinkel. Sie verglichen diese Messungen sowohl mit einer Simulation als auch mit einem theoretischen Modell, um die neue Methode zu validieren.

Atomare Sensoren im Allgemeinen haben viele mögliche Vorteile, einschließlich Messungen, die sowohl hochgenau als auch universell sind; das heißt, sie sind überall gleich, weil die Atome identisch sind. Messstandards, die auf Atomen basieren, umfassen jene für Länge und Zeit.

Mit weiterer Entwicklung könnten atomare Funkempfänger viele Vorteile gegenüber konventionellen Technologien bieten. Beispielsweise entfällt die Notwendigkeit traditioneller Elektronik, die Signale in verschiedene Frequenzen zur Auslieferung umwandelt, da die Atome dies automatisch erledigen. Antennen und Empfänger können physisch kleiner sein, mit Mikrometer-Dimensionen. Zudem könnten atomare Systeme weniger anfällig für bestimmte Arten von Störungen und Rauschen sein.