Cette figure montre une configuration expérimentale typique lors de l'exécution de la mesure du champ électrique traçable SI basée sur l'atome. Dans cette configuration, la cellule à vapeur est confinée à la table optique. Crédit :NIST
Au cours des dernières décennies, les téléphones portables et autres appareils sans fil sont devenus des éléments centraux de la vie dans le monde entier. Ces appareils émettent des quantités variées d'énergie électromagnétique et projettent ainsi des champs électriques dans l'espace environnant. Il est crucial pour la conception et le déploiement de ces dispositifs qu'ils disposent de mesures précises et traçables des champs électriques et de la puissance rayonnée. Jusque récemment, cependant, il n'a pas été possible de construire des sondes auto-calibrantes qui pourraient générer des mesures indépendantes et absolues de ces valeurs de champ électrique.
"Les sondes de champ électrique existantes reposent sur un processus d'étalonnage qui pose en quelque sorte le dilemme de la poule et de l'œuf, " a déclaré Christopher L. Holloway, scientifique à l'Institut national des normes et de la technologie. "Pour calibrer une sonde, nous devons utiliser un champ connu. Mais pour avoir un domaine connu, nous devons utiliser une sonde calibrée."
Pour résoudre ce problème, Holloway et ses collègues ont développé une nouvelle méthode pour mesurer les champs électriques et une nouvelle sonde pour effectuer de telles mesures. Ils partagent leur travail cette semaine dans le Journal de physique appliquée .
"La base de notre méthodologie est une technique bien étudiée appelée 'Transparence induite électromagnétiquement' (EIT). L'EIT implique un milieu qui absorbe normalement la lumière, et utilise un système de deux lasers accordés à la transition entre les états des atomes dans le milieu pour rendre le milieu transparent, " a déclaré Holloway.
"L'une de nos innovations clés consiste à exciter des atomes alcalins dans un milieu à Rydberg, ou à haute énergie, Etat. Dans ces circonstances, un champ électrique radiofréquence peut être utilisé pour exciter les atomes vers l'état de transition atomique suivant, provoquant la division du signal EIT en deux, " a déclaré Holloway. " La division du spectre du signal EIT est facilement mesurée et est directement proportionnelle à l'amplitude du champ électrique de radiofréquence appliqué. "
Photo de la première cellule à vapeur couplée à des fibres pour les mesures de champ électrique. La tête de capteur couplée à la fibre (c'est-à-dire, la cellule de vapeur) peut être retiré de la table optique pour faciliter l'utilisation, ce qui est utile dans les mesures de champ, et pour les applications d'imagerie en champ proche et en sous-longueur d'onde. Crédit :NIST
Le résultat net est que la force d'un champ électrique peut être calculée en mesurant la fréquence avec un degré élevé de précision et en utilisant la constante de Planck, qui sera bientôt reconnu comme une unité définie par le Système international d'unités (SI). En corollaire, cette technique de mesure a un chemin de traçabilité SI direct, une caractéristique importante pour les organisations internationales de métrologie. Il serait également considéré comme auto-calibrant car il est basé sur des résonances atomiques.
Au-delà de ces améliorations méthodologiques, la nouvelle technique promet d'élargir considérablement la portée des champs électriques qui peuvent être mesurés.
"Actuellement, il n'y a aucun moyen d'effectuer des mesures calibrées de champs électriques avec des fréquences supérieures à 110 GHz, " Holloway a déclaré. " Cette nouvelle technique résout ce problème et peut permettre la mesure calibrée des champs électriques avec des fréquences aussi grandes qu'un térahertz. Cette bande passante étendue sera pertinente pour les futures générations de systèmes de télécommunications mobiles sans fil."
"Un autre avantage important est qu'il permet une très petite résolution spatiale lors de l'imagerie des micro-ondes. En principe, il doit permettre l'imagerie des distributions de champ hyperfréquence avec une résolution de l'ordre des longueurs d'onde optiques, plusieurs ordres de grandeur plus petits que les longueurs d'onde des micro-ondes. Cela pourrait être particulièrement utile pour la mesure des champs électriques dans les domaines biomédicaux, " a déclaré Holloway.
Holloway et ses collègues ont conçu une sonde constituée d'une cellule à vapeur couplée à des fibres qui peut être utilisée pour mesurer les champs électriques avec cette nouvelle technique. Aller de l'avant, ils ont l'intention de travailler avec d'autres collaborateurs sur la miniaturisation de la technologie.
