По атомному радіо вперше передали музику

Американські фізики побудували перше атомне радіо і передали на нього стереофонічну музичну композицію за допомогою АМ-радіохвилі. Замість антени в побудованому радіо використовуються рідбергівські атоми, які просвічуються двома парами лазерів. Не рахуючи невеликих перешкод, що нагадують потріскування вінілової платівки, прийнятий радіосигнал виявився досить чистим.

Фізики називають рідбергівським атомом сильно збуджений атом, зовнішній електрон якого піднявся на дуже високий енергетичний рівень. Зазвичай, головне квантове число (грубо кажучи, номер) такого рівня n ~ 100. Як легко здогадатися, властивості рідбергівського атома сильно залежать від числа n. Наприклад, час їх життя росте як n3, дипольний момент — як n2, а поляризовність — як n7. Іншими словами, чим сильніше збуджений рідбергівський атом, тим довше він живе і тим гостріше відчуває зовнішнє електричне поле. Крім того, разом з числом n зростає радіус окремого атома (R ~ n6) і характерна довжина взаємодії двох атомів (L ~ n4). Наприклад, радіус атома водню з n = 1000 становить приблизно 0,1 сантиметра, а час його життя досягає однієї секунди, інформує Ukr.Media.

Теоретично ці властивості дозволяють перетворити рідбергівські атоми в чутливі приймачі електромагнітних хвиль. Справді, завдяки великому дипольному моменту такі атоми повинні дуже добре відчувати слабкі зміни електричного поля, які супроводжують електромагнітну хвилю. Отже, якщо постійно стежити за станом атома — наприклад, підсвічуючи його лазером, можна відновити амплітуду хвилі та сигнал, який вона переносить.

Вперше ідею такої установки, яку згодом назвали атомним радіо, запропонувала в 2014 році група фізиків під керівництвом Крістофера Холлоуея. З того часу вчені поступово покращували її параметри — наприклад, на початку цього року дослідники навчилися вимірювати фазу радіохвилі, падаючої на атомний газ. Досі ці дослідження носили строго академічний характер, але тепер учені побудували атомне радіо, за допомогою якого можна слухати музику і радіопередачі. Більш того, фізики додали в своє радіо підтримку стереофонічного звуку, різні канали якого переносяться AM-радіохвилями з різною частотою.

В основі побудованого радіо знаходиться порожнина, заповнена рідбергівськими атомами та просвічуюча двома лазерами з різною довжиною хвилі. Один з лазерів («зв'язуючий») забезпечує когерентність атомів приймача, а другий лазер («зондуючий») витягує з нього інформацію. Завдяки правильному налаштуванні «зв'язуючого» лазера в стані спокою атоми приймача прозорі для «зондуючого» лазера. При цьому прозорість досягається тільки у вузькому діапазоні частот, тому «зондуючий» лазер повинен бути дуже чистим. Якщо ж крізь приймач проходить радіохвиля, спектр поглинання атомів зміщується, і лазерне випромінювання починає поглинатися. Чим більше амплітуда хвилі — тим сильніші втрати. Отже, така порожнина працює як приймач, що приймає AM-хвилі з певною частотою.

Нарешті, щоб домогтися ефекту стереозвуку, вчені заповнили порожнину відразу двома типами рідбергівських атомів, кожен з яких незалежно працював зі своїм «зв'язуючим» і «зондуючим» лазером. В якості таких атомів фізики вибрали цезій-133 і рубідій-87, які брали хвилі з частотою 19623 і 20644 герц відповідно. Сигнали від «зондуючих» лазерів вчені подавали на комп'ютер і обробляли за допомогою безкоштовної програми Audacity.

Щоб перевірити роботу побудованого стереофонічного AM-радіо, вчені передали на нього імпровізовану мелодію в ля-мінорі, виконану на двох гітарах (електричній та акустичній зі звукознімачем). Зняті з гітар сигнали вчені направили на підсилювачі, перетворили на амплітудно-модульовану увагу з допомогою генераторів сигналів і транслювали з допомогою двох рупорних антен. Сигнал акустичної гітари транслювався на частоті 19623 герц, сигнал електричної гітари — на частоті 20644 герц. Обидві антени знаходилися на відстані близько 15 сантиметрів від порожнини, заповненої рідбергівськими атомами.

Як стверджують вчені, якість відновленого сигналу виявилася цілком прийнятною: незважаючи на невеликі перешкоди, що нагадують потріскування вінілової платівки, музика була дуже чіткою. Запис музики фізики виклали у відкритий доступ, тому їхні слова можна легко перевірити.

Автори статті сподіваються, що їх «розважальна» робота, присвячена музиці, покаже людям, що квантова фізика може бути не лише складною, але й цікавою. Можливо, їх дослідження приверне в науку нових вчених, які розроблять більш досконалі квантові пристрої. Також фізики захоплюються тим, який шлях пройшла наука про стягнення ансамблів атомів: всього двадцять років тому вчені вперше зловили в лазерну пастку бозе-конденсат, а зараз з допомогою схожих установок можна записувати звук.

Фізики теж люблять слухати музику, а іноді навіть намагаються використовувати свої знання для її поліпшення. Наприклад, дослідники з Лондонського університету королеви Марії застосували методи аналізу квантових систем, щоб розробити алгоритм, який автоматично визначає амплітуду і тривалість коливань частоти звуку. За допомогою цього алгоритму вчені досліджували вібрато, виконуване на різних музичних інструментах. А австралійські фізики запропонували математичну модель квантування музики.

Крім того, вчені дуже люблять «озвучувати» дані, зібрані під час спостережень за природою. Зокрема, за останні чотири роки фізики перетворили на музику дані детектору ATLAS, орбіти планет TRAPPIST-1, рух міжзоряного газу Чумацького шляху, вібрації Сонця і фотографію марсіанського світанку.