Учёные Томского государственного университета (ТГУ) предложили компактный способ регистрации «закрученных» радиоволн с помощью ридберговских атомов. Как сообщили в пресс-службе Минобрнауки РФ, такие волны открывают новые возможности для кодирования информации, но до сих пор их детектирование требовало громоздких антенных решёток.
Физики ТГУ разработали две схемы квантовых детекторов, которые различают электромагнитные волны с винтовой фазовой структурой. У обычной радиоволны есть частота, амплитуда и поляризация. Но если у волны появляется орбитальный угловой момент, её фронт закручивается в спираль. Теоретически это позволяет передавать несколько сигналов на одной частоте, так как разные значения момента формируют независимые пространственные моды. Проблема была в том, чтобы различить эти моды без сложной и тяжёлой аппаратуры.
Роль чувствительного элемента в новых детекторах играют ридберговские атомы. Это атомы, где один из электронов находится очень далеко от ядра, что делает их чрезвычайно восприимчивыми к слабым радиочастотным полям.
«Ридберговские атомы чувствительны не только к мощности радиоволны, но и к её пространственной структуре. Если радиоволна несёт орбитальный угловой момент, то она возбуждает в атомах особые квантовые состояния, зависящие от «закрученности» волны», — пояснил инженер-исследователь лаборатории теоретической и математической физики ТГУ Владислав Рякин.
Одна из предложенных схем использует редкие недипольные переходы, напрямую чувствительные к нужным параметрам, но требующие времени на отклик. Вторая схема быстрее и гибче: она основана на массиве ридберговских «антенн», которые сравнивают сигналы из разных точек пространства, восстанавливая топологический заряд волны.
Учёный подчеркнул, что построенная квантовая теория позволяет превратить атомы в структурированные «квантовые антенны». Они способны различать фотоны не только по энергии, но и по орбитальному моменту. При этом приёмником сигнала может выступать обычный атомный пар при комнатной температуре.
Работа физиков ТГУ показала, что квантовые системы способны заменить классическую радиотехнику. В будущем это приведёт к созданию компактных сенсоров для анализа сигналов, новых систем связи и методов радиозондирования.