Des chercheurs du National Institute of Standards and Technology (NIST) et des collaborateurs ont démontré un capteur atomique capable de déterminer la direction d'un signal radio entrant, un autre élément clé pour un système de communication atomique potentiel qui pourrait être plus petit et mieux fonctionner dans des environnements bruyants que la technologie conventionnelle.

Les chercheurs du NIST ont précédemment démontré que les mêmes capteurs à base d'atomes peuvent recevoir des signaux de communication couramment utilisés. La capacité de mesurer « l'angle d'arrivée » d'un signal permet de garantir la précision des communications radar et sans fil, qui doivent trier les vrais messages et images des interférences aléatoires ou délibérées.

« Cette nouvelle œuvre, en conjonction avec nos précédents travaux sur les capteurs et récepteurs à base d'atomes, nous rapproche d'un véritable système de communication basé sur l'atome pour bénéficier de la 5G et au-delà, ", a déclaré le chef de projet Chris Holloway.

Dans la configuration expérimentale du NIST, deux lasers de couleurs différentes préparent des atomes de césium gazeux dans un minuscule flacon en verre, ou cellulaire, dans les états de haute énergie ("Rydberg"), qui ont de nouvelles propriétés telles qu'une sensibilité extrême aux champs électromagnétiques. La fréquence d'un signal de champ électrique affecte les couleurs de la lumière absorbée par les atomes.

Un "mélangeur" ​​à base d'atomes prend les signaux d'entrée et les convertit en différentes fréquences. Un signal sert de référence tandis qu'un deuxième signal est converti ou "désaccordé" à une fréquence plus basse. Les lasers sondent les atomes pour détecter et mesurer les différences de fréquence et de phase entre les deux signaux. La phase fait référence à la position des ondes électromagnétiques les unes par rapport aux autres dans le temps.

Le mélangeur mesure la phase du signal désaccordé à deux emplacements différents à l'intérieur de la cellule de vapeur atomique. Sur la base des différences de phase à ces deux endroits, les chercheurs peuvent calculer la direction d'arrivée du signal.

Pour illustrer cette approche, Le NIST a mesuré les différences de phase d'un signal expérimental de 19,18 gigahertz à deux emplacements à l'intérieur de la cellule de vapeur pour différents angles d'arrivée. Les chercheurs ont comparé ces mesures à la fois à une simulation et à un modèle théorique pour valider la nouvelle méthode. La fréquence de transmission sélectionnée pourrait être utilisée dans les futurs systèmes de communication sans fil, dit Holloway.

Le travail fait partie des recherches du NIST sur les communications avancées, dont 5G, la norme de cinquième génération pour les réseaux cellulaires à large bande, dont beaucoup seront beaucoup plus rapides et transporteront beaucoup plus de données que les technologies d'aujourd'hui. La recherche sur les capteurs fait également partie du programme NIST on a Chip, qui vise à apporter une technologie de science de mesure de classe mondiale du laboratoire aux utilisateurs n'importe où et n'importe quand. Les co-auteurs sont de l'Université du Colorado Boulder et ANSYS Inc. à Boulder.

Les capteurs à base d'atomes ont en général de nombreux avantages possibles, notamment des mesures à la fois très précises et universelles, C'est, le même partout parce que les atomes sont identiques. Les étalons de mesure basés sur les atomes comprennent ceux de la longueur et du temps.

Avec le développement ultérieur, les récepteurs radio à base d'atomes peuvent offrir de nombreux avantages par rapport aux technologies conventionnelles. Par exemple, il n'y a pas besoin d'électronique traditionnelle qui convertit les signaux à différentes fréquences pour la livraison car les atomes font le travail automatiquement. Les antennes et les récepteurs peuvent être physiquement plus petits, avec des dimensions micrométriques. En outre, les systèmes à base d'atomes peuvent être moins sensibles à certains types d'interférences et de bruit.