Jesteśmy zanurzeni w mieszaninie fal elektromagnetycznych o bardzo różnych właściwościach. By jednak móc wychwytywać sygnały z różnych części ich spektrum (a więc zamieniać promieniowanie na sygnał elektryczny), potrzebujemy odbiorników o różnej budowie i parametrach.

I tak np. fale o długościach subatomowych wykrywane są przez czujniki radioaktywności. Pikometrowe fale wymagają czujników rentgenowskich (np. klisza rentgenowska). Dla światła widzialnego, a więc fal o długościach 380-780 nanometrów - świetnym czujnikiem są ludzkie oczy. Fale submilimetrowe (częstotliwość rzędu ThZ) rejestrowane są przez czujniki podczerwieni. A mikrofale (GHz) o “kieszonkowych" długościach (3mm-30 cm)- odbierane są przez telefony komórkowe. Anteny w radiu z kolei rejestrują metrowej długości fale radiowe (MHz), a fale o długości setek metrów - odbierane mogą być np. przez ogromne maszty odbiorcze lub anteny satelitarne. Dużym wyzwaniem jest jednak budowa odbiornika, który będzie mógł “nadawać” na jednej fali z promieniowaniem o bardzo różnej częstotliwości.

Dr hab. Michał Parniak-Niedojadło, badacz Wydziału Fizyki UW oraz Centrum Optycznych Technologii Kwantowych UW szacuje, że na razie, gdyby ktoś chciał za pomocą tradycyjnych anten odbierać bardzo różne fale o długości od submilimetrów do setek metrów (od THz do MHz), potrzebowałby pewnie setki różnych sensorów. Tymczasem jego zespół buduje antenę, która będzie w stanie odebrać fale o w miarę dowolnej częstotliwości z tego szerokiego zakresu. Największe odbierane przez ten sam odbiornik fale będą więc miliony razy większe niż najmniejsze.

Taki kompaktowy uniwersalny odbiornik fal to ważna propozycja dla sektora kosmicznego, gdzie każdy dodatkowy gram urządzeń wyniesionych w przestrzeń kosmiczną urządzeń to duże koszty.

Dlatego taki prototyp odbiornika rydbergowskiego zamówiła u dr. Parniaka Europejska Agencja Kosmiczna (ESA). Projekt wart jest 600 tys. euro. Tego typu anteny przydadzą się ESA w badaniu atmosfery i naturalnego promieniowania, w tym promieniowania odbitego od planety. Agencja chce też mieć narzędzie do wykrywania, czy przedsiębiorstwa lub instytucje wykorzystują w komunikacji radiowej rzeczywiście te pasma częstotliwości, które im oficjalnie przydzielono. Anteny mogą również służyć jako niezwykle precyzyjne termometry - urządzenia mierzące temperaturę nawet w warunkach bliskich zeru absolutnemu.

Te niezwykłe możliwości - nieosiągalne dla tradycyjnych technologii anten - daje fizyka kwantowa - i to w wersji przyjaznej do natychmiastowego aplikowania.

Naukowcy planują wykorzystać tzw. atomy rydbergowskie. Chodzi o atomy rubidu, w których elektrony wzbudzane są laserowo do tak dużych energii, że elektron przeskakuje na wyższy orbital - odsuwa od jądra atomu swoją orbitę z płaszcza numerowanego jako 5s nawet na poziom 48 czy 120. W ten sposób cały atom osiąga średnicę nawet 10 mikronów. Staje się więc grubszy niż nić pająka i mniej więcej tak duży, jak komórka krwi.

Taki atom, jeśli znajdzie się w polu elektromagnetycznym o określonej częstotliwości, wchodzi z nim w rezonans. Zjawisko to można zarejestrować zaproponowanymi przez Polaków metodami fotonicznymi. Modulując sygnał z lasera i to, na której orbicie znajdzie się elektron, można “dostroić” wielki atom do odbierania sygnałów o zadanej częstotliwości - od ok. 1 mega- do 1 teraherca.

Projektowane przez Polaków odbiorniki rydbergowskie działają w temperaturze pokojowej i są całkiem kompaktowe; sam odbiornik jest maleńki - to kostka o boku kilku mm, ale do jego aktywacji i odczytu potrzeba precyzyjnych laserów, które na razie są metrowej wielkości.

“Nasze anteny są tak niewielkie, że mogą wykryć falę nie zaburzając jej. Nikt nie może zobaczyć, że jest podglądany” - mówi PAP dr Parniak. Dodaje, że anteny te powinny być odporne na tradycyjne ataki - w samym odbiorniku nie ma żadnej elektroniki, więc nie da się go zdalnie spalić - np. wysyłając zbyt silny sygnał radiowy.

Zdaniem dr. Parniaka antenami rydbergowskimi mogą się również zainteresować firmy telekomunikacyjne, które używać mogą nowego typu odbiorników, by wykrywać i wzmacniać nawet bardzo słabe sygnały promieniowania.

Potencjalne zastosowania dotyczą też komputerów kwantowych. Odbiornik rydbergowski mógłby kiedyś posłużyć przy budowie odpowiednika karty sieciowej w komputerze kwantowym.

“Komputery kwantowe to jeszcze pieśń przyszłości. Ale czujniki kwantowe - lada chwila znajdą zastosowanie” - uważa dr Parniak.

Dodaje, że efekty kwantowe w przemyśle kosmicznym już od dawna stosowane są w urządzeniach wysyłanych w kosmos - chodzi nie tylko o lasery, ale i np. zegary atomowe, które potrzebne są do zwiększania dokładności GPS.

Ludwika Tomala (PAP)

Nauka w Polsce

lt/ bar/ lm/