Varşava Universiteti tərəfindən

Sadie Harley tərəfindən redaktə edilmiş , Robert Eqan tərəfindən nəzərdən keçirilmişdir

 Redaktorların qeydləriKvant radio antenasını idarə etmək üçün eksperimental quraşdırma. Kredit: Mixal Parniak, Varşava Universiteti

Fizika fakültəsinin və Varşava Universitetinin Kvant Optik Texnologiyaları Mərkəzindən bir qrup Ridberq atomlarının fundamental xassələri əsasında yeni tip tam optik radioqəbuledici hazırlayıb. Yeni tip qəbuledici nəinki son dərəcə həssasdır, həm də daxili kalibrləməni təmin edir və antenanın özü yalnız lazer işığı ilə təchiz edilir.

Sebastian Borowka, Mateusz Mazelanik, Wojciech Wasilewski və Michał Parniakın iştirak etdiyi işin nəticələri Nature Communications -da dərc olunub . Onlar kvant sensorlarının texnoloji tətbiqində yeni bir fəsil açır.

Müasir cəmiyyətdə hər saniyə ətrafımızda böyük miqdarda rəqəmsal məlumat ötürülür. Onun çox hissəsi radio vasitəsilə, yəni elektromaqnit dalğalarından istifadə etməklə ötürülür . Çox uzun müddətdir ki, amplituda modulyasiyası məlumatı kodlaşdırmaq, daha güclü və zəif dalğalar göndərmək üçün istifadə edilmişdir.

Daha yeni protokollar dalğaların fazasını, yəni onların vibrasiyasının razılaşdırılmış saat dövrünə nisbətən gecikməsini də dəyişir. Hər bir müasir ötürücü və qəbuledici dalğaları ötürmək və deşifrə etmək üçün istifadə olunan saat dövrünü təyin edən dəqiq metronomlarla təchiz edilmişdir – texniki jarqonda bu, superheterodin aşkarlanması adlanır.

Dalğalarda gizlənmiş məlumat

Bu texnologiyalar bir bənzətmə ilə asanlıqla izah edilə bilər. Professor Wojciech Wasilewski dəniz dalğalarının qəbulunu təsəvvür etməyi təklif edir: çimərlikdə dayanarkən dalğalarda şifrələnmiş məlumatı qəbul etmək üçün həm dalğaların gücünə – onların çimərliyə nə qədər dərindən yuyulmasına – həm də dalğaların sahilə vurduğu dəqiq anlara diqqət yetirmək lazımdır.

Eyni şey, bir fincan çayda bir çay qaşığı ilə dalğaların “ötürülməsinə” aiddir: əgər biz WiFi ötürücü olsaydıq, çay qaşığı sabit bir ritmdə, nəzarət sxemləri ilə vaxtında batırılmalıdır. Ancaq hər zəngdə dərhal deyil, gecikmə ilə, hər dəfə eyni hərəkət etməliyik.

Bir neçə min dövrədə bir dəfə dərinliyi və gecikməni – çay qaşığı batırdığımız döyüntü hissəsini dəyişdirməli oluruq. Bu bizə kvadrat amplituda modulyasiyasını (QAM) verəcəkdir .

Təcrübədə, metal antenalar adətən ötürülmələri qəbul etmək üçün istifadə olunur, bu da daxil olan dalğaların enerjisini qəbulediciyə yönləndirir. Enerjinin udulması dalğaların amplitudasını və fazasını elektron şəkildə ölçməyə imkan verir. Bu gün bu ölçmə tezliklərin çevrilməsi (qarışdırılması) ilə həyata keçirilir.

Saniyədə milyardlarla dəfə titrəyən (giqahers tezliyində) antenadan gələn elektrik siqnalı demodulyasiyaya – çox sürətli vibrasiyaların amplitudasının və fazasının daha aşağı tezlikli siqnallara ötürülməsinə imkan verən mikser adlananlara yönəldilir, saniyədə yalnız milyonlarla dəfə titrəyir (meqahers tezliyində).

Bu mərhələdə qəbul etmək istəmədiyimiz bitişik kanalları asanlıqla ayırmaq mümkündür. Müasir elektronika saniyədə on milyonlarla dəfə rəqəmsal gərginlik ölçmələrini asanlıqla həyata keçirə bilir. Bu ölçmələr vibrasiyaların tam dalğa formasını və rəqəmsal siqnalların işlənməsi alqoritmlərinin köməyi ilə onların amplitudasını və fazasını yenidən qurmaq üçün istifadə olunur.Tam optik kvant radio antenası – lazer şüaları ilə təchiz edilmiş rubidium şüşə hüceyrəsi. Kredit: Mixal Parniak, Varşava Universiteti

Gündəlik anlayışlar üçün Phys.org-a etibar edən 100.000-dən çox abunəçi ilə elm, texnologiya və kosmosda ən son yenilikləri kəşf edin . Pulsuz xəbər bülleteni üçün qeydiyyatdan keçin və mühüm nailiyyətlər, yeniliklər və tədqiqatlar haqqında gündəlik və ya həftəlik yeniləmələr əldə edin .

Atomların sinxron rəqsi

Dr. Michał Parniak izah etdiyi kimi, “Təcrübələrimizdə antenanı və elektron mikseri yeni mühitlə – bir növ süni aurora borealislə əvəz etdik”.

Bir parça rubidium havadan yaxşıca çıxarılan bir şüşə kameraya yerləşdirildi. Sonra rubidium parçasından atomlar ayrıldı və şüşə hüceyrəyə uçdu. Daha sonra diqqətlə planlaşdırılmış bir performans üçün istifadə edildilər. Hər bir rubidium atomunda kifayət qədər sərbəst bir elektron var, o, atom nüvəsi və qalan 36 elektrondan ibarət nüvə ətrafında rəqs edən mürəkkəb xoreoqrafiyaya məruz qalır.

Bu rəqsdə üç fərqli lazer musiqi rolunu oynayır. Onların vibrasiya tezliyi, kvant mexanikasının qanunları ilə müəyyən edildiyi kimi, rubidium atomlarında orbitdə fırlanan elektronların mümkün tezliklərinə çox dəqiqliklə sabitləşmişdir.

Elektronlar elə bir “melodiya” “eşidirlər” ki, lazer rəqslərinin seçilmiş hissələrini çox, çox uzaq orbitdə – Rydberq adlanan ştatlarda keçirirlər. Bu orbitlərdə onların trayektoriyası mikrodalğalar tərəfindən çox asanlıqla əyilir.

Xüsusilə, lazer melodiyasının çalınması ilə ritmdə olan radio dalğaları ilə. Bununla belə, yüksək orbitə yüksəlmiş Ridberq vəziyyətində olan hər bir elektron orada qeyri-müəyyən müddətə qala bilməz və nəticədə istismardan çıxmış peyk kimi düşməlidir. Radio dalğalarının təsirinə məruz qalan elektronlar fərqli bir trayektoriyaya düşür və lazerlərin istifadə etdiyindən fərqli infraqırmızı şüalanma yayır, bu da onları aşkar etməyi asanlaşdırır.

Ən əsası, mikrodalğaların fazası yayılan infraqırmızı şüalanma mərhələsində əks olunur: əgər radio dalğaları müəyyən edilmiş dövr ərzində daha əvvəl “vurubsa”, elektronlar da bir qədər əvvəl düşür və radiasiyanı daha erkən buraxırlar.

Ən son nəşrdə həll edilən problem elektronların hərəkət ritminin heç vaxt nəzarətsiz şəkildə yavaşlamaması və sürətlənməsi üçün lazerləri və elektronların rəqsini dəqiq idarə etmək üçün bir sistem qurmaq idi. Bu məqsədlə bir sıra “metronomlar” istifadə edilmişdir.

Hər bir lazer üçün xüsusi bir vakuum borusu quruldu, çox yaxşı güzgülərlə tamamlandı, işığın bir neçə min dəfə əks olunduğu. Orqan borusu və ya skripka simi kimi optik boşluq adlanan belə bir boru yalnız müəyyən tezlikdə titrəmələri seçir.

Burada istifadə edilən borularda eyni vaxtda iki sahə titrəyir – sabitləşdirilmiş lazer və istinad lazer, tezliyi elektronların rubidiumun nüvəsi və nüvəsi ətrafında dönə bildiyi ən aşağı orbit dövrünə dəqiq elektron uyğunlaşdırılır. Bundan əlavə, istifadə olunan lazerlərdən istinad infraqırmızı şüalanma yaratmaq üçün tezlikləri qarışdırmaq üçün xüsusi bir kristal istifadə olunur.

Kristal mikrodalğalara həssas deyil, ona görə də onun yaydığı infraqırmızı rubidium atomlarının yaydığı tezlikdən bir qədər fərqli tezlikə malikdir. Praktiki ölçmə atomlardan yayılan infraqırmızı və qarışdırma kristalından istinad infraqırmızı şüaların ölçüldüyü əlavə istinad lazerindən istifadə etməyi tələb edirdi.

Belə nisbi ölçmə – optik heterodin – tədqiq olunan sahələrin amplitudasını və fazasını əldə etməyə imkan verdi. Öz növbəsində, bunlar qəbul edilən mikrodalğaların amplitudasını və fazasını birbaşa hesablamaq üçün istifadə edilə bilər.

Radio sahələrinin aşkar edilməyən aşkarlanması

Təqdim olunan təcrübələrin mərkəzində, yəni rubidium hüceyrəsində elektrik cərəyanını keçirən və radio dalğalarını güclü şəkildə pozan metal elementlər yoxdur. Radio dalğalarını infraqırmızı şüalanmaya çevirmək üçün lazım olanların hamısı rubidium buxarı, möhürlənmiş qapaq və lazerlərdir.

Gələcəkdə detektor optik lifdə sadəcə qalınlaşma şəklini ala bilər, bunun vasitəsilə bütün lazımi lazerlər, həmçinin optik lifdə əks istiqamətə göndərilən infraqırmızı şüalanma təmin ediləcəkdir. Son ölçmələr və düzəlişlər radio sahələrindən hətta bir neçə onlarla metr məsafədə aparılacaq və radio sahəsinin son dərəcə təmkinli, qeyri-invaziv ölçülməsinə və qəbuluna imkan verəcəkdir.Rubidium şüşə hüceyrəsi – gələcəyin miniatürləşdirilmiş antenası. Kredit: Mixal Parniak, Varşava Universiteti

Bu ixtira mikrodalğalı sahələrin dəqiq kalibrlənməsi üsulları üçün ciddi nəticələrə səbəb ola bilər. Qeyri-invaziv ölçmələr sayəsində metal antenna ilə eyni vaxtda onları narahat etmədən zəif sahələri qeyd etmək mümkün olacaq. Belə bir mikrodalğalı sensorun dinləmə cihazı kimi mükəmməl gizlədildiyini də təsəvvür etmək olar. Hal-hazırda mövcud elektronikadan fərqli olaraq, hər hansı bir radio ötürülməsinin qəbuledicisi kimi aşkar etmək daha çətin olardı.

Varşava Universitetinin Kvant Optik Texnologiyaları Mərkəzinin və Fizika Fakültəsinin alimləri bir neçə ildir ki, Rydberq atomlarından istifadə edərək mikrodalğalı sahələrin aşkarlanması üçün yeni protokollar hazırlayır və nümayiş etdirirlər. Komanda texniki maneələri aşmaqda və bu inqilabi cihazların təklif etdiyi yeni aşkarlama üsullarını inkişaf etdirməkdə uğur qazanır.

Alimlər bu yeni texnologiya üçün tətbiqlərin axtarışında iştirak edərək, onun kalibrləmə asanlığını, yüksək həssaslıq və ölçmə dəqiqliyini və cihazların miniatürləşdirilməsi perspektivini qeyd edirlər.

Sürətli texnoloji inkişaf, gələcəkdə Rydberg sensorlarını peyklərə yerləşdirməyi planlaşdıran xarici və beynəlxalq ölçmə standartlaşdırma agentliklərinin, hərbi institutların və kosmik agentliklərin marağını cəlb edir.

2025-ci ilin əvvəlindən Dr.Michał Parniakın rəhbərlik etdiyi komanda da Avropa Kosmik Agentliyinin sifarişi ilə bu texnologiyanı kommersiyalaşdırmağa başlayıb.

Tədqiqat həm də Polşanın Milli Elm Mərkəzi tərəfindən maliyyələşdirilən SONATA17 layihəsinin mərkəzi nəticələrindən biridir. “Kvant Optik Texnologiyaları” (FENG.02.01-IP.05-0017/23, 2024–2029) layihəsi Polşa Elmi Fondunun Tədbir 2.1 Beynəlxalq Araşdırma Gündəliyi proqramı çərçivəsində həyata keçirilir.

Daha çox məlumat: Sebastian Borówka və başqaları, Hibrid qeyri-xətti interferometriya ilə işə salınan optik cəhətdən qərəzli Rydberg mikrodalğalı qəbuledicisi, Nature Communications (2025). DOI: 10.1038/s41467-025-63951-9

Jurnal məlumatı: Nature Communications 

Varşava Universiteti tərəfindən təmin edilmişdir