Polscy naukowcy opracowują nowatorskie anteny rydbergowskie, które dzięki zastosowaniu efektów kwantowych mogą odbierać fale elektromagnetyczne w niezwykle szerokim zakresie częstotliwości. Europejska Agencja Kosmiczna (ESA) zamówiła prototyp takiego urządzenia, który posłuży do badania atmosfery oraz monitorowania pasm transmisji radiowej.

Wyzwania tradycyjnych odbiorników

Obecnie, aby odbierać sygnały elektromagnetyczne o różnych częstotliwościach, konieczne jest stosowanie wielu odbiorników o zróżnicowanej budowie i parametrach. Na przykład, fale rentgenowskie wykrywane są przez specjalistyczne detektory, światło widzialne przez ludzkie oko, a mikrofale przez anteny w telefonach komórkowych. Budowa uniwersalnego odbiornika, zdolnego do pracy w szerokim zakresie częstotliwości, stanowi duże wyzwanie technologiczne.

Innowacyjność anten rydbergowskich

Zespół dr. hab. Michała Parniaka-Niedojadło z Wydziału Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego oraz Centrum Optycznych Technologii Kwantowych UW pracuje nad anteną, która może odbierać fale elektromagnetyczne o bardzo różnych częstotliwościach, od megaherców (MHz) do teraherców (THz). Taka antena mogłaby zastąpić wiele tradycyjnych odbiorników, co jest szczególnie istotne w sektorze kosmicznym, gdzie każdy dodatkowy gram sprzętu wiąże się z wysokimi kosztami.

Zastosowanie atomów rydbergowskich

Kluczowym elementem tej technologii są atomy rydbergowskie, czyli atomy, w których elektrony zostały wzbudzone do bardzo wysokich stanów energetycznych, co powoduje znaczne zwiększenie ich rozmiarów. W przypadku atomów rubidu, elektrony mogą być wzbudzane laserowo na wyższe orbitale, co sprawia, że cały atom osiąga średnicę nawet 10 mikrometrów. Taki powiększony atom wchodzi w rezonans z falami elektromagnetycznymi o określonej częstotliwości, co pozwala na ich detekcję za pomocą metod fotonicznych.

Zalety i potencjalne zastosowania

Odbiorniki rydbergowskie działają w temperaturze pokojowej i są kompaktowe; sam odbiornik ma rozmiar kostki o boku kilku milimetrów, choć do jego aktywacji i odczytu potrzebne są precyzyjne lasery. Dzięki swoim niewielkim rozmiarom, anteny te mogą wykrywać fale nie zaburzając ich, co czyni je trudnymi do wykrycia. Ponadto, brak elektroniki w samym odbiorniku sprawia, że są odporne na tradycyjne ataki, takie jak zdalne uszkodzenie przez silny sygnał radiowy.

ESA planuje wykorzystać te anteny do badania atmosfery i naturalnego promieniowania, w tym promieniowania odbitego od planety. Dodatkowo, anteny mogą służyć do monitorowania, czy podmioty wykorzystują przydzielone im pasma częstotliwości zgodnie z przeznaczeniem. Inne potencjalne zastosowania obejmują precyzyjne pomiary temperatury w ekstremalnych warunkach oraz detekcję i wzmacnianie bardzo słabych sygnałów w telekomunikacji. W przyszłości anteny rydbergowskie mogą znaleźć zastosowanie w komputerach kwantowych jako elementy odpowiedzialne za komunikację.

Wykorzystanie efektów kwantowych w przemyśle kosmicznym nie jest nowością; od dawna stosowane są tam urządzenia takie jak lasery czy zegary atomowe, które zwiększają dokładność systemów nawigacyjnych, takich jak GPS. Jednak rozwój anten rydbergowskich otwiera nowe możliwości w zakresie detekcji i analizy fal elektromagnetycznych, co może znacząco wpłynąć na przyszłe technologie kosmiczne i telekomunikacyjne.

Źródła: Nauka w Polsce, Uniwersytet Warszawski, Europejska Agencja Kosmiczna, PAP. / Fot: Michał Parniak (UW)