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La conception de base de l’antenne radio n’a pas changé en un siècle. L’antenne est généralement un ensemble de tiges de métal environ deux fois plus petites que la longueur d’onde qu’elles sont destinées à recevoir. Le champ électrique d’une onde radio qui passe accélère les électrons à l’intérieur de ces barres, convertissant l’énergie de l’onde en un tout petit courant électrique pouvant être amplifié.

Une radio atomique

Mais les physiciens aimeraient beaucoup rendre les antennes plus efficaces et plus sûres. Il serait intéressant, par exemple, que de simples antennes puissent recevoir une gamme de longueurs d’onde plus large et plus résistante aux interférences électromagnétiques.

David Anderson à Rydberg Technologies à Ann Arbor, dans le Michigan, et quelques collègues ont réinventé ce type d’antenne à partir de zéro. Leur nouvel appareil fonctionne de manière totalement différente des antennes conventionnelles, en utilisant un laser pour mesurer la manière dont les signaux radio interagissent avec certains types d’atomes.

La sauce secrète du nouvel appareil est constituée d’atomes de Rydberg. Ce sont des atomes de césium dans lesquels les électrons externes sont tellement excités qu’ils gravitent autour du noyau à grande distance. À ces distances, les niveaux d’énergie potentiels des électrons sont extrêmement rapprochés, ce qui leur confère des propriétés particulières. En effet, un tout petit champ électrique peut les pousser d’un niveau à un autre.

Utiliser un laser réglé sur une fréquence spécifique

Les ondes radio se composent de champs électriques alternatifs qui interagissent facilement avec les atomes de Rydberg. Cela en fait des capteurs potentiellement très efficaces. Mais comment détecter cette interaction? Un gaz composé d’atomes de Rydberg possède une autre propriété qui s’avère utile: il peut être rendu transparent par un laser réglé sur une fréquence spécifique. Ce laser sature la capacité du gaz à absorber la lumière, permettant ainsi à un autre rayon laser de le traverser.

Cependant, la fréquence critique à laquelle cela se produit dépend des propriétés des atomes de Rydberg dans le gaz. Lorsque ces atomes interagissent avec les ondes radio, la fréquence critique change. C’est la base de la détection radio. Anderson a créé un gaz d’atomes de césium excité dans les états de Rydberg. Ils utilisent ensuite un laser réglé sur une fréquence spécifique pour rendre le gaz transparent.

Enfin, ils éclairent un second laser à travers le gaz et mesurent la quantité de lumière absorbée, pour voir comment la transparence varie avec les ondes radio ambiantes. Le signal d’une simple photodiode sensible à la lumière révèle alors la manière dont les signaux radio sont modulés en fréquence (FM) ou modulés en amplitude (AM).

Un test

Cela donne une antenne constituée d’un nuage d’atomes de césium excités, zappés par une lumière laser qui clignote au rythme des ondes radio ambiantes. Ce qui donne une radio atomique. Anderson et ses coéquipiers ont mis leur appareil à l’épreuve en utilisant des micro-ondes et ont affirmé que cela fonctionnait très bien. « Nous démontrons un récepteur basé sur des atomes pour la communication micro-ondes AM et FM », expliquent-ils.

Parmi les avantages de l’antenne par rapport aux antennes classiques, on peut citer la vaste gamme de signaux qu’il peut détecter – plus de quatre octaves de la bande C à la bande Q, ou des longueurs d’onde comprises entre 2,5 et 15 centimètres. L’antenne elle-même est une petite cellule de vapeur capable de créer et de maintenir le césium gazeux excité dans les atomes de Rydberg.

Un récepteur sans la nécessité de recourir à l’électronique traditionnelle 

Mais le plus révolutionnaire est peut-être que la détection n’implique pas de circuit radio conventionnel. «Le récepteur d’ondes radio atomiques fonctionne par détection optique directe en temps réel de la réponse atomique aux signaux de bande de base AM et FM, ce qui exclut la nécessité de recourir à l’électronique traditionnelle de démodulation et de conditionnement de signaux», explique Anderson.

Cela signifie que l’appareil est plus ou moins insensible au type d’interférence électromagnétique qui peut rendre les antennes conventionnelles inutilisables. Pour tester leur dispositif, l’équipe l’a utilisé pour recevoir des signaux micro-ondes AM et FM d’un enregistrement d’une voix humaine chantant «Mary Had a Little Lamb». «La radio atomique a démontré de bonnes performances sur l’ensemble de la plage audio humaine».

Elle sera considérablement améliorée

Toutefois, cette nouvelle antenne n’est pas parfaite. Par exemple, sa plage dynamique est un peu inférieure à celle normalement attendue sur la radio. Mais l’équipe est optimiste sur le fait qu’elle peut être considérablement améliorée. Préparez-vous, des radios atomiques sont en route et ils remplaceront nos radios dans quelques années, si bien sûr les gens sont réceptifs à ce genre de changement. Cette recherche a été publiée à la Cornell University Library.

Source : MIT Technology Review