Zespół naukowców z Uniwersytetu Warszawskiego opracował pierwszy całkowicie optyczny odbiornik radiowy, który zamiast metalowej anteny wykorzystuje atomy rubidu wzbudzane światłem laserowym. Urządzenie, rozwijane na zlecenie Europejskiej Agencji Kosmicznej, oferuje niezwykle wysoką czułość i nie wymaga zasilania prądem.

• Odbiornik radiowy opracowany przez zespół dr. hab. Michała Parniaka z Centrum Optycznych Technologii Kwantowych UW wykorzystuje atomy rubidu w tzw. stanach rydbergowskich.
• Urządzenie przetwarza mikrofale na promieniowanie podczerwone, pozwalając odczytać amplitudę i fazę sygnału bez metalowej anteny.
• W eksperymencie klasyczne komponenty – antenę i elektroniczny mieszacz – zastąpiono „optycznym mieszaczem” w formie sztucznej zorzy polarnej.
• Odbiornik nie wymaga zasilania elektrycznego – jest napędzany jedynie wiązkami laserowymi.
• Technologia umożliwia pomiary słabych pól mikrofalowych bez zakłócania ich obecnością metalu, co ma znaczenie dla badań satelitarnych i wojskowych.

Naukowcy z Uniwersytetu Warszawskiego opracowali i zaprezentowali innowacyjne urządzenie – całkowicie optyczny odbiornik radiowy, który wykorzystuje tzw. atomy rydbergowskie. To przełomowa technologia, ponieważ odbiornik nie wymaga tradycyjnej, metalowej anteny – całość działa w oparciu o światło laserowe oraz opary rubidu.

Jak podaje forumakademickie.pl, zespół badaczy z UW stworzył nowy typ odbiornika, który potrafi przekształcać mikrofale w promieniowanie podczerwone. Kluczową rolę w tym procesie odgrywają właśnie atomy w stanach rydbergowskich – to atomy, w których elektron znajduje się na bardzo wysokim poziomie energetycznym, przez co stają się wyjątkowo wrażliwe na pola elektromagnetyczne. Dzięki temu urządzenie może z dużą precyzją odczytywać zarówno amplitudę, jak i fazę sygnału radiowego.

Co więcej, odbiornik jest zasilany wyłącznie światłem laserowym, co czyni go niezwykle energooszczędnym i odpornym na zakłócenia elektromagnetyczne. Takie rozwiązanie może znaleźć zastosowanie w wielu dziedzinach — od łączności satelitarnej, przez badania kosmiczne, aż po nowoczesne systemy komunikacji bezprzewodowej.

Technologia opracowana przez naukowców z UW już teraz budzi zainteresowanie na arenie międzynarodowej. Zespół prowadzi prace nad jej komercjalizacją na zlecenie Europejskiej Agencji Kosmicznej (ESA), która dostrzega w niej potencjał do wykorzystania w przyszłych misjach kosmicznych i systemach komunikacji optycznej.

Jak działa nowy odbiornik?

W tradycyjnych systemach radiowych odbiór sygnału opiera się na metalowej antenie, która przechwytuje fale elektromagnetyczne. Następnie ich wysokie częstotliwości są przetwarzane na niższe — bardziej „przyjazne” dla elektroniki — w tzw. procesie superheterodynowym. To klasyczna metoda stosowana od dziesięcioleci w radiotechnice, umożliwiająca precyzyjny odbiór i analizę sygnału.

Naukowcy z Uniwersytetu Warszawskiego opracowali jednak zupełnie nowatorskie podejście, które może w przyszłości zrewolucjonizować sposób odbioru fal radiowych. Zamiast tradycyjnych anten i układów elektronicznych wykorzystali tzw. „optyczny mieszacz”, działający na poziomie pojedynczych atomów.

W specjalnej szklanej bańce próżniowej umieszczono opary rubidu – pierwiastka, którego atomy w odpowiednich warunkach wykazują niezwykle ciekawe właściwości kwantowe. Za pomocą trzech precyzyjnie dobranych laserów naukowcy wzbudzają te atomy do tzw. stanów rydbergowskich. W tym stanie elektron krąży bardzo daleko od jądra atomowego, co sprawia, że staje się on wyjątkowo podatny na wpływ zewnętrznych pól elektromagnetycznych, w tym fal mikrofalowych.

Gdy takie wzbudzone atomy zostaną poddane działaniu fal mikrofalowych, ich elektrony zaczynają reagować w specyficzny sposób — emitują światło w zakresie podczerwieni, którego faza jest bezpośrednio powiązana z fazą odebranych mikrofal.

– W naszych eksperymentach zastąpiliśmy antenę i elektroniczny mieszacz nowym medium – rodzajem sztucznej zorzy polarnej – powiedział dr hab. Michał Parniak, lider grupy badawczej w Centrum Optycznych Technologii Kwantowych na Uniwersytecie Warszawskim. W pracach uczestniczyli też Sebastian Borówka, Mateusz Mazelanik i Wojciech Wasilewski.

Zespół naukowców z Uniwersytetu Warszawskiego opracował nowatorską technologię, która może całkowicie zmienić sposób pomiaru i detekcji sygnałów mikrofalowych. Badacze wykorzystują w niej wnęki optyczne oraz dodatkowe lasery wzorcowe, które pozwalają utrzymać niezwykle stabilny takt ruchu elektronów. W praktyce przekłada się to na możliwość wykonywania bardzo precyzyjnych, nieinwazyjnych pomiarów słabych pól mikrofalowych – i to bez konieczności używania metalowych elementów, które zwykle zakłócają pole. To z kolei otwiera drogę do zupełnie nowych zastosowań w dziedzinie kalibracji i detekcji fal elektromagnetycznych.

Jednym z największych atutów opracowanego rozwiązania jest jego potencjał miniaturyzacji. Jak tłumaczą naukowcy, w przyszłości taki detektor mógłby przybrać formę niewielkiego zgrubienia na światłowodzie, którym dostarczane byłyby lasery i odbierane promieniowanie podczerwone. Oznaczałoby to, że wszystkie pomiary oraz ewentualne korekcje można byłoby wykonywać w odległości nawet kilkudziesięciu metrów od źródła mikrofal. Takie rozwiązanie umożliwiłoby prowadzenie niezwykle dokładnych, a przy tym dyskretnych pomiarów – bez potrzeby zasilania urządzenia prądem, ponieważ antena działa w pełni pasywnie.

Technologia już wzbudziła zainteresowanie instytucji międzynarodowych. Komercjalizację projektu rozpoczęto na zlecenie Europejskiej Agencji Kosmicznej na początku 2025 roku, co wyraźnie wskazuje na potencjał zastosowań w sektorze satelitarnym, a także w dziedzinie precyzyjnych pomiarów dla przemysłu, wojska i instytucji standaryzacyjnych. Dla Polski to szansa na rozwój rodzimego rynku zaawansowanych czujników optycznych oraz współpracę krajowych instytutów badawczych z dużymi europejskimi partnerami.

Choć obecnie to wciąż rozwiązanie o charakterze eksperymentalnym, jego możliwości są imponujące. Antena oparta na optyce i atomach może pracować w warunkach, w których klasyczna elektronika zawodzi – na przykład w przestrzeni kosmicznej, w środowisku silnych pól magnetycznych, a nawet w urządzeniach medycznych, gdzie liczy się precyzja i brak zakłóceń.

W dłuższej perspektywie ta technologia może znaleźć zastosowanie w poprawie jakości bezprzewodowej łączności – od satelitarnego internetu po przyszłe sieci 6G – a także w komunikacji kwantowej, odpornej na podsłuch i ingerencję z zewnątrz. Naukowcy podkreślają, że to dopiero początek rozwoju tej dziedziny, ale nie wykluczają, że z czasem miniaturowe optyczne detektory trafią również do codziennych urządzeń, takich jak smartfony, telewizory czy routery.

Źródło: Wirtualnemedia