定制铜“耳机”加铯原子蒸气室方案可将射频接收灵敏度提升百倍

通过将小型铯（Cs）原子封装在看似铜“耳机”的玻璃圆柱体内部，美国国家标准与技术研究院（NIST）的科学家们，得以将原子射频接收器的灵敏度提升了两个数量级。据悉，该接收器由位于玻璃容器内部、且以特殊状态制备的铯原子气体组成。

当位于装置上方的天线发送无线电信号时，耳机会将接收到的信号强度提高百倍。（图自：NIST）

在 2022 年 5 月 20 日发表于《应用物理快报》（Applied Physics Letters）期刊上的一篇文章中，NIST 科学家们对其原理和效果进行了详细的解释。

实验表明，在将信号施加于“蒸汽电池”（Vapor Cell）中的气态原子时，这种独特的结构（两款方形面板 + 架空回路），便能够增强传入的无线电信号或电场。

项目负责人 Chris Holloway 解释称：从技术上来讲，“耳机”结构属于一种开环谐振器。其作用类似于采用新颖结构设计的“超材料”，并且具有不同于寻常的特性。

研究报告（来自：NIST / PDF）

在之前展示的基于原子的射频接收器的基础上，NIST 团队将之称作“受超材料启发的结构”。可知与传统无线电接收器相比，原子传感器能够在体型上做得更加小巧、能够在嘈杂环境中工作得更好、辅以其它潜在的优势。

新研究中使用的蒸气室的长度约 14 mm（0.55 英寸）、直径 10 mm（0.39 英寸），与人类指甲或计算机芯片的大小相当、但略厚一些。此外谐振器的架空环的一侧约为 16 mm（0.63 英寸），耳罩一侧约为 12 mm（0.47 英寸）。

至于其原理，NIST 解释称新型射频接收器依赖于原子的特殊状态。研究人员使用了两种不同颜色的激光，以将蒸汽电池中的原子推向“里德堡”高能态。

该状态具有对电磁场极其敏感等新特性，而外加电场的频率和强度，又会影响原子对光（颜色）的吸收，意味着我们可借此将信号强度与光频率的准确测量联系起来。

施加到新谐振器的无线电信号，会在架空回路中产生电流，从而产生磁通量（或电压）。铜结构的尺寸小于无线电信号的波长，于是金属板之间这个较小的物理间隙，便具有了在原子周围储存能量、并增强无线电信号的作用。

换言之，该方案能够提升性效率、或测量的灵敏度。Holloway 补充道：“环路会捕获传入的磁场，在间隙中产生电压。此外由于间隔很小，因而能够在间隙中产生相当大的电磁场”。

环路和间隙的尺寸，决定了铜结构的自然 / 谐振频率。

在 NIST 实验中，受可用蒸气室外径的限制，其间隙仅略超 10 mm 。不过借助商业数学模拟器，研究人员得以准确打造接近 1.312 GHz 的共振频率所需的环路大小、以利用“里德堡原子”的能级特性变换。

最终在几位外部合作者的帮助下，NIST 团队顺利对谐振器的设计进行了模拟。建模表明信号强度可提升 130 倍、而测量结果大约是 100 倍 —— 推测可能由能量损失和结构缺陷导致。

此外更小的间隙会产生更大的放大，且研究人员计划将思路运用到其它谐振器设计、以及更小的蒸气室和不同频率的方案上。

通过进一步的发展，基于原子的接收器可较传统射频技术带来诸多益处。若能拿原子充当天线，就可免除传统电子设备上将信号转换为不同频率进行传输的设计 —— 因为原子会自动完成这项工作。

另外原子接收器的物理尺寸可以做得更小、甚至达到微米（μm）的级别，更何况基于原子的系统可能不太容易受到某些类型的干扰和噪声的影响。