Американские физики построили первое атомное радио и передали на него стереофоническую музыкальную композицию с помощью АМ-радиоволны. Вместо антенны в этом радио используются ридберговские атомы, которые просвечиваются двумя парами лазеров. Не считая небольших помех, напоминающих потрескивания виниловой пластинки, принятый радиосигнал оказался довольно чистым. 

Об этом сообщает Bigmir.

Физики называют ридберговским атомом сильно возбужденный атом, внешний электрон которого поднялся на очень высокий энергетический уровень. Как правило, главное квантовое число (грубо говоря, номер) такого уровня n ~ 100. Cвойства ридберговского атома сильно зависят от числа n. Например, время их жизни растет как n3, дипольный момент — как n2, а поляризуемость — как n7. Другими словами, чем сильнее возбужден ридберговский атом, тем дольше он живет и тем острее чувствует внешнее электрическое поле. Более того, вместе с числом n растет радиус отдельного атома (R ~ n6) и характерная длина взаимодействия двух атомов (L ~ n4). Например, радиус атома водорода с n = 1000 составляет примерно 0,1 сантиметра, а время его жизни достигает одной секунды.

Теоретически эти свойства позволяют превратить ридберговские атомы в чувствительные приемники электромагнитных волн. В самом деле, благодаря большому дипольному моменту такие атомы должны очень хорошо чувствовать слабые изменения электрического поля, которые сопровождают электромагнитную волну. Следовательно, если постоянно следить за состоянием атома — например, подсвечивая его лазером, — можно восстановить амплитуду волны и сигнал, который она переносит.

Известно, что первыми, у кого зародилась идея создания атомного радио, были физики под руководством Кристофера Холлоуэя в 2014 году. С тех пор ученые постепенно улучшали ее параметры — например, в начале этого года исследователи научились измерять фазу радиоволны, падающей на атомный газ. До сих пор эти исследования носили строго академический характер, но теперь ученые построили настоящее атомное радио, с помощью которого можно слушать музыку и радиопередачи. Более того, физики добавили в свое радио поддержку стереофонического звука, разные каналы которого переносятся AM-радиоволнами с разной несущей частотой.

В основе построенного радио находится полость, заполненная ридберговскими атомами и просвечиваемая двумя лазерами с разной длиной волны. Один из лазеров («связывающий») обеспечивает когерентность атомов приемника, а второй лазер («зондирующий») извлекает из него информацию. Благодаря правильной настройке «связывающего» лазера в состоянии покоя атомы приемника прозрачны для «зондирующего» лазера. При этом прозрачность достигается только в узком диапазоне частот, поэтому «зондирующий» лазер должен быть очень чистым. Если же сквозь приемник проходит радиоволна, спектр поглощения атомов смещается, и лазерное излучение начинает поглощаться. Чем больше амплитуда волны — тем сильнее потери. Следовательно, такая полость работает как приемник, принимающий AM-волны с определенной несущей частотой.

Наконец, чтобы добиться эффекта стереозвука, ученые заполнили полость сразу двумя типами ридберговских атомов, каждый из которых независимо работал со своим «связывающим» и «зондирующим» лазером. В качестве таких атомов физики выбрали цезий-133 и рубидий-87, которые принимали волны с несущей частотой 19623 и 20644 герц соответственно. Сигналы от «зондирующих» лазеров ученые подавали на компьютер и обрабатывали с помощью бесплатной программы Audacity. 

Для проверки построенного стереофонического AM-радио, ученые передали на него импровизированную мелодию в ля-миноре, исполненную на двух гитарах (электрической и акустической со звукоснимателем). Снятые с гитар сигналы ученые направили на усилители, преобразовали к амплитудно-модулированному виду с помощью генераторов сигналов и транслировали с помощью двух рупорных антенн. Сигнал акустической гитары транслировался на частоте 19623 герц, сигнал электрической гитары — на частоте 20644 герц. Обе антенны находились на расстоянии около 15 сантиметров от полости, заполненной ридберговскими атомами.

Как утверждают ученые, качество восстановленного сигнала оказалось вполне приемлемым: несмотря на небольшие помехи, напоминающие потрескивания виниловой пластинки, музыка была очень четкой. Запись музыки, как и саму статью, физики выложили в открытый доступ, поэтому их слова можно легко проверить.

Авторы статьи надеются, что их «развлекательная» работа, посвященной музыке, покажет людям, что квантовая физика может быть не только сложной, но и интересной. Возможно, их исследование привлечет в науку новых ученых, которые разработают более совершенные квантовые устройства. Также физики восхищаются тем, какой путь проделала наука об удержании ансамблей атомов: всего двадцать лет назад ученые впервые поймали в лазерную ловушку бозе-конденсат, а сейчас с помощью похожих установок можно записывать звук.

Физики тоже любят слушать музыку, а иногда даже пытаются использовать свои знания для ее улучшения. Например, исследователи из Лондонского университета королевы Марии применили методы анализа квантовых систем, чтобы разработать алгоритм, который автоматически определяет амплитуду и продолжительность колебаний частоты звука. С помощью этого алгоритма ученые исследовали вибрато, исполняемое на различных музыкальных инструментах. А австралийские физики предложили математическую модель квантования музыки.

Более того, ученые очень любят «озвучивать» данные, собранные в ходе наблюдений за природой. В частности, за последние четыре года физики превратили в музыку данные детектора ATLAS, орбиты планет TRAPPIST-1, движение межзвездного газа Млечного пути, вибрации Солнца и фотографию марсианского рассвета. Больше примеров музыкальных композиций, вдохновленных наукой, можно найти в рубриках «Звук» и «Звуки науки».

Популярные статьи сейчас

Верность длиною в жизнь: в сети показали неизвестные семейные снимки Софии Ротару с покойным супругом. Счастливые и молодые

Раскрыла карты: бывшая жена Меладзе показала фото с дочерью. Пусть кусает локти

"Убогое зрелище": соцсети грубо высмеяли Анастасию Волочкову, которая похвасталась, как висит в шпагате над сценой

Опять идет жара: синоптик обрадовал украинцев

Показать еще

Напомним, ученые раскрыли секрет Бермудского треугольника: назвали в чем его опасность.

Также портал Хайзер информировал о том, что ученые всерьез засомневались в существовании реального мира.