通過將小型銫（Cs）原子封裝在看似銅“耳機”的玻璃圓柱體內部，美國國家標準與技術研究院（NIST）的科學家們，得以將原子射頻接收器的靈敏度提升了兩個數量級。據悉，該接收器由位於玻璃容器內部、且以特殊狀態製備的銫原子氣體組成。
當位於裝置上方的天線發送無線電信號時，耳機會將接收到的信號強度提高百倍。（圖自：NIST）
在 2022 年 5 月 20 日發表於《應用物理快報》（Applied Physics Letters）期刊上的一篇文章中，NIST 科學家們對其原理和效果進行了詳細的解釋。
實驗表明，在將信號施加於“蒸汽電池”（Vapor Cell）中的氣態原子時，這種獨特的結構（兩款方形面板 + 架空迴路），便能夠增強傳入的無線電信號或電場。
項目負責人 Chris Holloway 解釋稱：從技術上來講，“耳機”結構屬於一種開環諧振器。其作用類似於採用新穎結構設計的“超材料”，並且具有不同於尋常的特性。
研究報告（來自：NIST / PDF）
在之前展示的基於原子的射頻接收器的基礎上，NIST 團隊將之稱作“受超材料啟發的結構”。可知與傳統無線電接收器相比，原子傳感器能夠在體型上做得更加小巧、能夠在嘈雜環境中工作得更好、輔以其它潛在的優勢。
新研究中使用的蒸氣室的長度約 14 mm（0.55 英寸）、直徑 10 mm（0.39 英寸），與人類指甲或計算機芯片的大小相當、但略厚一些。此外諧振器的架空環的一側約為 16 mm（0.63 英寸），耳罩一側約為 12 mm（0.47 英寸）。
至於其原理，NIST 解釋稱新型射頻接收器依賴於原子的特殊狀態。研究人員使用了兩種不同顏色的激光，以將蒸汽電池中的原子推向“里德堡”高能態。
該狀態具有對電磁場極其敏感等新特性，而外加電場的頻率和強度，又會影響原子對光（顏色）的吸收，意味着我們可藉此將信號強度與光頻率的準確測量聯繫起來。
施加到新諧振器的無線電信號，會在架空迴路中產生電流，從而產生磁通量（或電壓）。銅結構的尺寸小於無線電信號的波長，於是金屬板之間這個較小的物理間隙，便具有了在原子周圍儲存能量、並增強無線電信號的作用。
換言之，該方案能夠提升性效率、或測量的靈敏度。Holloway 補充道：“環路會捕獲傳入的磁場，在間隙中產生電壓。此外由於間隔很小，因而能夠在間隙中產生相當大的電磁場”。
環路和間隙的尺寸，決定了銅結構的自然 / 諧振頻率。
在 NIST 實驗中，受可用蒸氣室外徑的限制，其間隙僅略超 10 mm 。不過藉助商業數學模擬器，研究人員得以準確打造接近 1.312 GHz 的共振頻率所需的環路大小、以利用“里德堡原子”的能級特性變換。
最終在幾位外部合作者的幫助下，NIST 團隊順利對諧振器的設計進行了模擬。建模表明信號強度可提升 130 倍、而測量結果大約是 100 倍 —— 推測可能由能量損失和結構缺陷導致。
此外更小的間隙會產生更大的放大，且研究人員計劃將思路運用到其它諧振器設計、以及更小的蒸氣室和不同頻率的方案上。
通過進一步的發展，基於原子的接收器可較傳統射頻技術帶來諸多益處。若能拿原子充當天線，就可免除傳統電子設備上將信號轉換為不同頻率進行傳輸的設計 —— 因為原子會自動完成這項工作。
另外原子接收器的物理尺寸可以做得更小、甚至達到微米（μm）的級別，更何況基於原子的系統可能不太容易受到某些類型的干擾和噪聲的影響。