Группа учёных с физического факультета и из Центра квантовых оптических технологий при Центре новых технологий Варшавского университета разработала новый метод измерения неуловимых терагерцовых сигналов с помощью «квантовой антенны».
Авторы [статьи](https://opg.optica.org/abstract.cfm?URI=optica-12-11-1854) использовали уникальную установку для обнаружения радиоволн с помощью атомов Ридберга, чтобы не только обнаружить, но и точно откалибровать так называемую частотную гребёнку в терагерцовом диапазоне. До недавнего времени этот диапазон был белым пятном в электромагнитном спектре, и решение, описанное в журнале Optica, прокладывает путь для сверхчувствительной спектроскопии и нового поколения квантовых датчиков, работающих при комнатной температуре.
Терагерцевое излучение (ТГц) — часть электромагнитного спектра, расположенная на границе электроники и оптики, между микроволнами (используемыми, например, в Wi-Fi) и инфракрасным излучением.
Хотя терагерцевое излучение имеет огромный потенциал — от проверки посылок без вредного рентгеновского излучения, сверхскоростной связи 6G, до спектроскопии и визуализации органических соединений — его практическое использование для точных и чувствительных измерений остаётся сложной технической задачей.
Учёные из физического факультета и Центра квантовых оптических технологий при Центре новых технологий Варшавского университета впервые успешно преодолели это ограничение и измерили сигнал, излучаемый одним зубом терагерцовой частотной гребёнки. Для этого они использовали газ атомов рубидия в состоянии Ридберга.
Атом Ридберга — это атом с одним электроном, возбуждённым на очень высокую орбиту с помощью точно настроенных лазеров. Этот «раздутый» атом становится квантовой антенной, чрезвычайно чувствительной к внешним электрическим полям. Благодаря настраиваемым лазерам его можно настроить на одну конкретную частоту такого поля в диапазоне вплоть до терагерцовых волн.
Традиционно в ридберговской электрометрии для измерения электрического поля используется явление расщепления Ауслера — Таунса. Его огромное преимущество заключается в том, что результат измерения зависит только от фундаментальных атомных констант, обеспечивая абсолютно калиброванный отсчёт.
В отличие от классических антенн, которым требуется трудоёмкая калибровка в специализированных радиолабораториях, атомная система является, в некотором смысле, стандартом сама по себе. Более того, благодаря богатству энергетических состояний атома, такой датчик можно настраивать практически непрерывно в огромном диапазоне — от сигнала постоянного тока (DC) до вышеупомянутого терагерцевого.
Однако у этого метода есть ограничение: сам по себе он недостаточно чувствителен для регистрации очень слабых терагерцовых сигналов. Чтобы решить эту проблему, исследовательская группа дополнительно применила разработанную в Варшавском университете технику преобразования радиоволн в свет и адаптировала её для нужд терагерцевого излучения.
В этом процессе [слабый терагерцевый сигнал](https://phys.org/news/2022-12-optoelectronic-resonator-sensitivity-electron-pulse.html?utmsource=embeddings&utmmedium=related&utm_campaign=internal) преобразуется в оптические фотоны, которые затем могут быть обнаружены с огромной чувствительностью с помощью однофотонных счётчиков. Этот гибридный подход является ключом к успеху: он сочетает в себе чрезвычайную чувствительность обнаружения фотонов со способностью «восстановить» калибровочные возможности метода Ауслера — Таунса даже для самых слабых сигналов.
Датчик, основанный на [атомах Ридберга](https://phys.org/news/2025-01-quantum-thermometer-giant-rydberg-atoms.html?utmsource=embeddings&utmmedium=related&utm_campaign=internal), обладает всеми функциями, необходимыми для точной калибровки частотной гребёнки: его можно настроить на один зуб гребёнки, а затем перенастроить на следующий и так далее. Учёным удалось наблюдать несколько десятков зубьев в очень широком диапазоне частот. Кроме того, благодаря знанию фундаментальных свойств атомов гребёнка была напрямую откалибрована, что позволило точно определить её интенсивность.
Результаты, полученные физиками из Варшавского университета — Wiktor Krokosz, Jan Nowosielski, Bartosz Kasza, Sebastian Borówka, Mateusz Mazelanik, Wojciech Wasilewski и Michał Parniak, — это не просто ещё один чувствительный детектор. Они закладывают основу для нового направления в метрологии. Благодаря преимуществам атомов Ридберга революционные приложения оптических частотных гребёнок теперь могут быть перенесены в доселе труднодоступный терагерцевый диапазон.
Важно отметить, что, в отличие от многих квантовых технологий, требующих экстремально низких температур, разработанная система работает при комнатной температуре, что резко снижает затраты и облегчает будущую коммерциализацию. Это открывает двери для создания эталонных стандартов измерений для предстоящей эры терагерцевых технологий.
Предоставлено [Варшавским университетом](https://phys.org/partners/university-of-warsaw/)