苏杭杭杭杭，理科研究僧 阅读原文 日常使用的收音机 咱们四六级时候，谁都会用这样一个收音机。 文艺的收音机 文艺青年在家可能会用到这样的收音机。 当然，收音机作为人类最早的无线电通讯设备之一，不管是过去还是现在都是我们生活中的重要工具。那未来咱们的收音机会变成什么样子呢？ 现在我来告诉你，未来的收音机可能是这个样子的你信吗？ “未来收音机”——透明纯铷原子气室 是的，就是上面这个方方的，透明玻璃做成的东西，它在将来极大可能甚至现在已经有部分机构实现了成为我们的“收音机”。 其实所谓的收音机，就是我们日常生活中无线电广播的接收机。它接收到调制的无线电信号然后解调并播放出来，其中的关键部件就是无线电天线，它能接收用户设定的频率范围内的调制无线电信号。 传统收音机内部结构原理示意图 传统的“收音机”都是用的金属材料偶极天线，当然，电子工程的飞速发展已经将偶极天线能做的非常小或者非常灵敏，满足咱们日常使用没有丝毫问题。但是当科技发展到对无线电，具体来说是微波的探测精度具有非常高的要求的时候，金属制的偶极天线受到物理原理上的限制已经不能胜任了。 当传统技术收到物理原理的限制的时候，就轮到我们近代物理学的伟大学说——量子力学出场了。 遇事不决，量子力学。诚不欺我！！ 我们都知道，原子与光会产生相互作用——吸收或者释放光，而光就是特殊的电磁波，微波也是电磁波，那原子和电磁波能不能有相互作用呢？答案是肯定的。 二能级结构与电磁波相互作用示意图 1955 年（国内还刚完成社会主义改造。。。。。），美国物理学家斯坦利·奥特勒（Stanley Autler）和查尔斯·汤斯（Charles Townes）发现了交流史塔克效应（AC Stark Effect），当电磁波频率与两个原子能级共振的时候，原子的光谱会发生劈裂，因此该效应又称为 AT 劈裂（AT-spliting）。 那么这么早就提出了理论，为什么到现在才人们才利用原子来接收微波信号呢？ 那是因为早期我们获得的原子都是能态较低的原子，而这些原子的能级之间的能量差都是光频率范围，找不到能和微波频率共振的能级系统。但是人们发现，当原子的能级越高的时候，能级之间的能量差就越小，那当能级高到什么时候微波就能与原子能级发生相互作用呢？ 里德堡原子激发制备示意图 答案就是近代以来的人造的新类型的原子——里德堡原子。里德堡原子就是主量子数非常大的原子，我们一般用激光或者直流超高压电场来将基态原子激发到高能级从而获得里德堡原子，最近英国科学家 S.D.Hogan 已经可以将氦原子激发到 n=400 的原子态。当然，做新型“收音机”用不到这么恐怖的数字，研究表明，主量子数在 30—80 左右就可以实现常用微波频段的接收功能了。 ~~~~~~~~~~~~分割线~~~~~~~~~~~~~ 大家都是收音机，这种原子“收音机”与传统的优势在哪里呢？ 其实，物理原理告诉我们，原子对外部的场非常敏感，那么原子“收音机”理论上可以探测到非常非常微弱的微波信号。小到什么程度呢？咱们的山西大学已经在实验室里探测到 的微波场，而咱们手机的辐射强度大约为 ，哪怕咱们人体的生物电磁波都比这个量级强。这个指标高于国际水平一万倍，为中国科学家点赞！ 那么，如果未来你有这样一台超高精度的“收音机”，你能想到用来干什么吗？ 参考文献： [1]Anderson, D. A. , Sapiro, R. E. , & Raithel, G. . (2020). An atomic receiver for am and fm radio communication.IEEE Transactions on Antennas and Propagation,PP(99), 1-1. [2]Sedlacek, J. A. , Schwettmann, A. , Harald Kübler, Lw, R. , Pfau, T. , & Shaffer, J. P. . (0). Microwave electrometry with rydberg atoms in a vapour cell using bright atomic resonances.Nature Physics. [3]S D Hoganet al2018J. Phys. B: At. Mol. Opt. Phys.51145002 [4]Jing, M., Hu, Y., Ma, J.et al.Atomic superheterodyne receiver based on microwave-dressed Rydberg spectroscopy.Nat. Phys.16,911–915 (2020). https://doi.org/10.1038/s41567-020-0918-5 阅读原文
