自从一位意大利侯爵第一次用一个加强型火花塞和几个线圈在大西洋上发射电报以来,无线电的基本技术并没有发生太大的变化。当时和现在一样,接收无线电波依赖于形状和大小刚好合适的天线,利用无线电波中的能量来产生电流,电流可以被放大、过滤、解调,并转换成音频波形。

不过,随着直放式接收机的开发和商业化,这一基本方程式可能很快就会改变。原子收音机不依赖于传统无线电接收机的束缚,正准备在RF频谱上打开一个新的窗口,这个窗口受干扰更少,占用的空间更小,带宽也比当前的接收机技术要宽得多。令人惊讶的是,它只需要一小片气体云和几束激光就能工作。

使用里德伯格原子的量子音乐

原子收音机这个术语刚出现时,可能会让人有些困惑。

毕竟,不是所有的收音机都是由原子制成的吗?但是,在区分传统无线电技术和新方法的背景下,使用原子一词是有意义的。原子收音机依赖于里德伯格原子--铯和铷等元素的原子,它们的外层电子被诱导成比正常物质高得多的量子态,使用的要么是波长恰好合适的激光,要么是其他电磁方法。这些电子离里德伯格原子的原子核很远,以至于它们几乎无法保持在轨道上,轨道几乎是圆形的,原子接近宏观尺寸。

由于外层电子的高度激发,里德伯格原子具有一种有趣且有用的性质。远离原子核的电子能级之间的距离非常小,这使得电子很容易受到扰动并改变状态。比如说,如果一个经过的无线电波击中了里德伯格原子,它的外层电子就会被推到另一个水平。此外,里德伯格原子表现出电磁感应透明(EIT)的非线性光学性质。这意味着,调谐到特定频率的激光可以使里德伯格原子的气体饱和,使它们在光谱的一小片区域具有光学透明性。另一束调到光学窗口的激光将直接穿透气体,强度损失很小。

原子收音机结合了这两种特性:用调谐到852nm的激光使充满激发铯蒸气的腔室变得透明。该电池还拥有510nm的激光,通过它到达光电二极管。当微波信号通过电池传输时,蒸汽的透明度与入射无线电波的强度成正比地降低,从而导致来自光电二极管的信号可以放大。这意味着,与传统的电磁式无线电天线不同,原子收音机直接用光学探测无线电波。

静电绝缘

在某种程度上,原子收音机让人想起了前面提到的火花间隙收音机。最早的无线电接收机使用金属屑捡波器来探测经过的无线电波。金属屑捡波器是一种简单的玻璃管,里面装着铁屑,两端都有金属触点。在正常情况下,铁屑的导电性不是很好,因为绝缘氧化物在松散的颗粒中形成了高电阻路径。但是,一个经过的无线电波会使铁屑聚集在一起,减少通过金属屑捡波器的阻力,使其传导。无线电波的通道可以用铃声或灯光指示。

一种商用蒸汽电池,原子收音机的商业终端

当然,金属屑捡波器需要一种叫做解码器的装置,它本质上是一个螺线形电导管,可以轻敲管子,并将铁屑重置到松散的、不导电的状态。原子无线电接收机不需要这样的重置,正如David Anderson、Rachel Sapiro和Georg Raithel最近的研究表明,它能够接收调幅和调频信号,而金属屑捡波器则不能。尽管如此,这种类比还是很贴切的。

原子收音机的简单性很吸引人。没有调谐电路,没有中间放大器,没有射频混频器,更重要的是,没有传统意义上的天线。无线电波是直接根据它们与里德伯格原子的光学相互作用来检测的。这意味着,传统的无线电接收机受干扰的阶段在原子收音机中不存在,从而导致接收噪声的倾向大大降低。因为里德伯格原子蒸气对广泛的无线电频率很敏感,所以原子收音机是一种宽带接收机--在上文中所演示的接收机有四倍频程范围,从C波段到Q波段,或者4GHz到50GHz。

生活中的立体声原子收音机

最近,NIST的物理学家Christopher Holloway等人展示了一种可以同时接收两个信号的原子收音机。这台收音机的蒸汽电池中含有铯和铷的混合物,每个通道需要2个激光器--一个使每种物质饱和到高透明度,另一个用于探测RF。

Chris Holloway在实验室里轻松地弹起了吉他测试他们的原子收音系统。在新设备准确地录下他的曲子后,Holloway通过电波将其发送出去,收音系统也成功地接收了所有的音符信息。

把2把吉他当成音频放大器(我们可以注意到,放大器的增益旋钮可达11.mpg),用于在20GHz范围内以不同频率调制两台微波信号发生器。探测激光器通过该单元并通过光学分配器进入两个独立的光电二极管,形成一个立体原子收音机。

上图是一种双通道原子无线电接收机。铯和铷的混合物被激发成理德伯量子态,并用不同波长的激光器探测两种不同频率下的光学透明度变化。

原子收音机既简单又复杂--简单是因为它绕过了大多数传统的无线电接收机电路,直接探测无线电波,复杂是因为它需要一个充满激光和光学器件的物理实验室才能工作。因此,普通的业余爱好者不太可能在短期内建造自己的原子收音机,而火腿们也不会拆除他们的半波偶极天线,转而使用铯蒸汽电池。但原子收音机有很大的潜力,尤其是在深空通信应用中,如果它能被充分小型化,我们就可能看到量子理论的另一种商业化。