La radio atómica pondría fin a las interferencias electromagnéticas

Un siglo después, el diseño básico de la antena no ha cambiado. La antena suele ser un conjunto de barras de metal de aproximadamente la mitad del tamaño de la longitud de onda para la que están diseñadas. El campo eléctrico en una onda de radio acelera los electrones dentro de estas barras, convirtiendo la energía de la onda en una pequeña corriente eléctrica que puede amplificarse.

Sin embargo, a los físicos les encantaría hacer las antenas más capaces y más seguras. Sería bueno, por ejemplo, si las antenas simples pudieran recibir un rango más amplio de longitudes de onda y ser más resistentes a la interferencia electromagnética.

El investigador de Rydberg Technologies en Ann Arbor, Michigan (EE. UU.) David Anderson y un par de colegas han reinventado la antena desde cero. Su nuevo dispositivo funciona de una manera completamente diferente a las antenas convencionales, utiliza un láser que mide la forma en la que las señales de radio interactúan con ciertos tipos de átomos.

El ingrediente secreto en el nuevo dispositivo son los átomos de Rydberg. Se trata de unos átomos de cesio en los que los electrones externos están tan excitados que orbitan el núcleo a gran distancia. A estas distancias, los niveles de la energía potencial de los electrones están muy poco espaciados, y esto les da unas propiedades especiales. De hecho, cualquier campo eléctrico pequeño puede empujarlos de un nivel a otro.

Las ondas de radio consisten en campos eléctricos alternos que interactúan fácilmente con cualquier átomo de Rydberg que encuentren. Esto les convierte en posibles sensores.

Pero, ¿cómo detectar esta interacción? Un gas hecho de átomos de Rydberg tiene otra propiedad que resulta útil: puede hacerse transparente con un láser sintonizado a una frecuencia específica. Este láser satura la capacidad del gas para absorber la luz, permitiendo que otro rayo láser lo atraviese.

Sin embargo, la frecuencia crítica a la que esto sucede depende fundamentalmente de las propiedades de los átomos de Rydberg en el gas. Cuando estos átomos interactúan con las ondas de radio, la frecuencia crítica cambia en respuesta.

Esa es la base de la detección de radio. Anderson y su equipo crean un gas de átomos de cesio excitados en los estados de Rydberg. Luego usan un láser sintonizado a una frecuencia específica para que el gas sea transparente.

Finalmente, hacen brillar un segundo láser a través del gas y miden cuánta luz se absorbe, para ver cómo varía la transparencia con las ondas de radio ambiente.

La señal de un simple fotodiodo sensible a la luz revela la forma en la que las señales de radio son moduladas en frecuencia o en amplitud.

Y eso es todo: una antena que consiste en una nube de átomos de cesio excitados, marcada por una luz láser que parpadea al ritmo de cualquier onda de radio ambiental. Lo llaman radio atómica.

Anderson y sus compañeros han puesto en funcionamiento su dispositivo usando microondas y dicen que funciona bien. "Probamos un receptor basado en átomos para la comunicación de microondas AM y FM", afirman.

Entre sus ventajas sobre las antenas convencionales se encuentra la gran variedad de señales que puede detectar: más de cuatro octavas desde la banda C hasta la banda Q, o longitudes de onda de 2,5 a 15 centímetros. La antena en sí misma es una pequeña célula de vapor que puede crear y contener gas de cesio excitado en átomos de Rydberg.

Pero quizás lo más revolucionario es que la detección no involucra circuitos de radio convencionales. "El receptor de onda de radio atómica opera mediante detección óptica directa en tiempo real; de la respuesta atómica a las señales de banda base AM y FM, lo que excluye la necesidad de una electrónica tradicional de desmodulación y acondicionamiento de señal", explican Anderson y su equipo.

Eso significa que el dispositivo debería ser más o menos insensible al tipo de interferencia electromagnética que puede hacer que las antenas convencionales sean inútiles.

Para probar el dispositivo, el equipo lo usó para recibir señales de microondas AM y FM de una grabación de una voz humana cantando Mary Had a Little Lamb. "La radio atómica presentada exhibe un buen rendimiento en toda la banda de audio humana", sostienen.

La nueva antena no es perfecta. Por ejemplo, su rango dinámico es un poco menor de lo esperado en una radio. Pero el equipo es optimista y cree que se puede mejorar significativamente.

Las radios atómicas ya están en camino.

Ref: arxiv.org/abs/1808.08589 : Un receptor atómico para comunicación de radio AM y FM