Capteur radio à base d'atomes révèle la direction du signal pour communications plus pures

Des chercheurs ont démontré un capteur à base d'atomes capable de déterminer la direction d'un signal radio entrant, une autre pièce clé pour un système de communications atomique potentiel qui pourrait être plus petit et fonctionner mieux dans les environnements bruyants que la technologie conventionnelle.

La capacité de mesurer l'« angle d'arrivée » d'un signal aide à garantir la précision du radar et des communications sans fil, qui doivent trier les vrais messages et images des interférences aléatoires ou délibérées. Un véritable système de communications à base d'atomes bénéficierait à la 5G et au-delà.

Deux lasers de couleurs différentes préparent des atomes de césium gazeux dans une minuscule fiole en verre, ou cellule, en états de haute énergie (Rydberg) qui ont des propriétés nouvelles telles qu'une sensibilité extrême aux champs électromagnétiques. La fréquence d'un signal de champ électrique affecte les couleurs de lumière absorbées par les atomes. Un « mélangeur » à base d'atomes prend les signaux d'entrée et les convertit en différentes fréquences. Un signal agit comme référence tandis qu'un second signal est converti ou désaccordé vers une fréquence plus basse. Des 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 emplacements, les chercheurs peuvent calculer la direction d'arrivée du signal. Pour démontrer l'approche, l'équipe a mesuré les différences de phase d'un signal expérimental de 19,18 GHz à deux emplacements à l'intérieur de la cellule de vapeur pour divers angles d'arrivée. Ils ont comparé ces mesures à la fois à une simulation et à un modèle théorique pour valider la nouvelle méthode.

Les capteurs à base d'atomes en général ont de nombreux avantages possibles, y compris des mesures à la fois hautement précises et universelles ; c'est-à-dire les mêmes partout car les atomes sont identiques. Les standards de mesure basés sur les atomes incluent ceux pour la longueur et le temps.

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