科学探索|定制铜“耳机”加铯原子蒸气室方案可将射频接收灵敏度提升百倍定制铜“耳机”加铯原子蒸气

通过将小型铯（Cs）原子封装在看似铜“耳机”的玻璃圆柱体内部，美国国家标准与技术研究院（NIST）的科学家们，得以将原子射频接收器的灵敏度提升了两个数量级。据悉，该接收器由位于玻璃容器内部、且以特殊状态制备的铯原子气体组成。

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当位于装置上方的天线发送无线电信号时，耳机会将接收到的信号强度提高百倍。（图自：NIST）
在 2022 年 5 月 20 日发表于《应用物理快报》（Applied Physics Letters）期刊上的一篇文章中，NIST 科学家们对其原理和效果进行了详细的解释。
实验表明，在将信号施加于“蒸汽电池”（Vapor Cell）中的气态原子时，这种独特的结构（两款方形面板 + 架空回路），便能够增强传入的无线电信号或电场。
项目负责人 Chris Holloway 解释称：从技术上来讲，“耳机”结构属于一种开环谐振器。其作用类似于采用新颖结构设计的“超材料”，并且具有不同于寻常的特性。

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研究报告（来自：NIST / PDF）
【科学探索|定制铜“耳机”加铯原子蒸气室方案可将射频接收灵敏度提升百倍】在之前展示的基于原子的射频接收器的基础上，NIST 团队将之称作“受超材料启发的结构” 。可知与传统无线电接收器相比，原子传感器能够在体型上做得更加小巧、能够在嘈杂环境中工作得更好、辅以其它潜在的优势。
新研究中使用的蒸气室的长度约 14 mm（0.55 英寸）、直径 10 mm（0.39 英寸），与人类指甲或计算机芯片的大小相当、但略厚一些。此外谐振器的架空环的一侧约为 16 mm（0.63 英寸），耳罩一侧约为 12 mm（0.47 英寸）。

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至于其原理，NIST 解释称新型射频接收器依赖于原子的特殊状态。研究人员使用了两种不同颜色的激光，以将蒸汽电池中的原子推向“里德堡”高能态。
该状态具有对电磁场极其敏感等新特性，而外加电场的频率和强度，又会影响原子对光（颜色）的吸收，意味着我们可借此将信号强度与光频率的准确测量联系起来。

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施加到新谐振器的无线电信号，会在架空回路中产生电流，从而产生磁通量（或电压）。铜结构的尺寸小于无线电信号的波长，于是金属板之间这个较小的物理间隙，便具有了在原子周围储存能量、并增强无线电信号的作用。
换言之，该方案能够提升性效率、或测量的灵敏度。Holloway 补充道：“环路会捕获传入的磁场，在间隙中产生电压。此外由于间隔很小，因而能够在间隙中产生相当大的电磁场” 。

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环路和间隙的尺寸，决定了铜结构的自然 / 谐振频率。
在 NIST 实验中，受可用蒸气室外径的限制，其间隙仅略超 10 mm。不过借助商业数学模拟器，研究人员得以准确打造接近 1.312 GHz 的共振频率所需的环路大小、以利用“里德堡原子”的能级特性变换。
最终在几位外部合作者的帮助下，NIST 团队顺利对谐振器的设计进行了模拟。建模表明信号强度可提升 130 倍、而测量结果大约是 100 倍 —— 推测可能由能量损失和结构缺陷导致。