Атомы рубидия стали детекторами невозможного: квантовые антенны освобождают «слепой» диапазон для связи будущего
NewsMakerПока мир охлаждает квантовые системы до абсолютного нуля, поляки поймали терагерц при 20°C.
Учёные из Варшавского университета разработали способ регистрировать крайне слабые терагерцовые сигналы с помощью атомов рубидия, переведённых в ридберговское состояние. Такой подход позволяет работать с частотными гребнями в диапазоне, который долгое время оставался практически недоступным для высокоточных измерений. Результаты исследования открывают путь к новым методам спектроскопии, способным работать при комнатной температуре.
Терагерцовый диапазон находится между микроволновой и инфракрасной областью электромагнитного спектра. Он привлекает внимание благодаря возможностям для связи, анализа материалов и химии органических соединений, однако существующие приборы плохо регистрируют слабые сигналы в этой части спектра. Особые сложности возникают при измерении частотных гребней — наборов строго упорядоченных линий, которые служат высокоточной частотной линейкой. В терагерцовой области электронные схемы работают слишком медленно, а оптические методы не могут зафиксировать такие частоты.
Исследователи нашли решение, используя атомы в состоянии Ридберга . В этом состоянии электрон занимает удалённую орбиту, и атом становится чрезвычайно чувствительным к слабым электрическим полям. Лазерная настройка позволяет вывести атом на резонанс с выбранной частью терагерцового диапазона. Для измерений используют расщепление Аутлера–Таунса — эффект, который позволяет получать абсолютно калиброванные значения поля, основанные на фундаментальных свойствах атома. Такой датчик фактически служит эталоном и не требует сложной калибровки в лаборатории.
Однако сама по себе атомная чувствительность не позволяет фиксировать самые слабые терагерцовые сигналы. Чтобы преодолеть этот предел, учёные применили разработанную в Варшаве схему преобразования терагерцового импульса в оптический диапазон. После такого преобразования сигнал можно фиксировать сверхчувствительными фотонными счётчиками . Совмещённый метод — атомная селективность плюс регистрация одиночных фотонов — и позволил исследовать отдельные линии частотного гребня и определить их параметры.
Датчик можно настраивать на разные частоты, последовательно анализируя структуру гребня. Исследователи зарегистрировали несколько десятков линий в широком диапазоне и определили их интенсивность. Так как метод опирается на хорошо изученные свойства атомов, результаты обладают высокой метрологической надёжностью. Таким образом, преимущества оптических частотных гребней впервые удалось перенести в область, где долгое время не существовало точных эталонных решений.
Работа особенно важна тем, что установка функционирует при нормальной температуре. Многие квантовые технологии требуют глубокого охлаждения, что усложняет их внедрение и делает эксплуатацию дорогой. Новый подход избавлен от такого ограничения, что облегчает практическое использование и создаёт основу для эталонных измерительных систем следующего поколения. Подобные разработки могут сыграть ключевую роль в развитии терагерцовых технологий — от систем связи до методов диагностики и фундаментальной физики.
Учёные из Варшавского университета разработали способ регистрировать крайне слабые терагерцовые сигналы с помощью атомов рубидия, переведённых в ридберговское состояние. Такой подход позволяет работать с частотными гребнями в диапазоне, который долгое время оставался практически недоступным для высокоточных измерений. Результаты исследования открывают путь к новым методам спектроскопии, способным работать при комнатной температуре.
Терагерцовый диапазон находится между микроволновой и инфракрасной областью электромагнитного спектра. Он привлекает внимание благодаря возможностям для связи, анализа материалов и химии органических соединений, однако существующие приборы плохо регистрируют слабые сигналы в этой части спектра. Особые сложности возникают при измерении частотных гребней — наборов строго упорядоченных линий, которые служат высокоточной частотной линейкой. В терагерцовой области электронные схемы работают слишком медленно, а оптические методы не могут зафиксировать такие частоты.
Исследователи нашли решение, используя атомы в состоянии Ридберга . В этом состоянии электрон занимает удалённую орбиту, и атом становится чрезвычайно чувствительным к слабым электрическим полям. Лазерная настройка позволяет вывести атом на резонанс с выбранной частью терагерцового диапазона. Для измерений используют расщепление Аутлера–Таунса — эффект, который позволяет получать абсолютно калиброванные значения поля, основанные на фундаментальных свойствах атома. Такой датчик фактически служит эталоном и не требует сложной калибровки в лаборатории.
Однако сама по себе атомная чувствительность не позволяет фиксировать самые слабые терагерцовые сигналы. Чтобы преодолеть этот предел, учёные применили разработанную в Варшаве схему преобразования терагерцового импульса в оптический диапазон. После такого преобразования сигнал можно фиксировать сверхчувствительными фотонными счётчиками . Совмещённый метод — атомная селективность плюс регистрация одиночных фотонов — и позволил исследовать отдельные линии частотного гребня и определить их параметры.
Датчик можно настраивать на разные частоты, последовательно анализируя структуру гребня. Исследователи зарегистрировали несколько десятков линий в широком диапазоне и определили их интенсивность. Так как метод опирается на хорошо изученные свойства атомов, результаты обладают высокой метрологической надёжностью. Таким образом, преимущества оптических частотных гребней впервые удалось перенести в область, где долгое время не существовало точных эталонных решений.
Работа особенно важна тем, что установка функционирует при нормальной температуре. Многие квантовые технологии требуют глубокого охлаждения, что усложняет их внедрение и делает эксплуатацию дорогой. Новый подход избавлен от такого ограничения, что облегчает практическое использование и создаёт основу для эталонных измерительных систем следующего поколения. Подобные разработки могут сыграть ключевую роль в развитии терагерцовых технологий — от систем связи до методов диагностики и фундаментальной физики.