Naukowcy z Uniwersytetu Warszawskiego opracowali nową metodę pomiaru trudnych do uchwycenia sygnałów terahercowych przy pomocy „kwantowej anteny”. Rozwiązanie to otwiera drogę do ultraczułej spektroskopii i nowej generacji czujników kwantowych działających w temperaturze pokojowej.
Promieniowanie terahercowe (THz), będące częścią spektrum elektromagnetycznego, znajduje się na styku elektroniki i optyki, pomiędzy mikrofalami (używanymi np. w Wi-Fi) a promieniowaniem podczerwonym. Choć ma ogromny potencjał, od prześwietlania przesyłek bez szkodliwego promieniowania rentgenowskiego, przez superszybką komunikację 6G, po spektroskopię i obrazowanie związków organicznych, jego praktyczne użycie do precyzyjnych i czułych pomiarów pozostaje dużym wyzwaniem technicznym. Ostatnie lata przyniosły ogromne postępy zarówno w obszarze detekcji jak i generacji takiego promieniowania, jednak jak dotąd nie udało się dokonać precyzyjnego pomiaru grzebienia częstości.
Dlaczego jest to tak istotne? Grzebienie częstości, za które w 2005 roku przyznano Nagrodę Nobla, najłatwiej wyobrazić sobie jako niezwykle precyzyjną linijkę, tyle że stworzoną ze światła lub fal radiowych. Zamiast podziałki oznaczającej milimetry, mamy serię równomiernie rozstawionych linii („zębów”) o ściśle określonych częstotliwościach.
Taka „elektromagnetyczna podziałka” pozwala fizykom mierzyć częstotliwość nieznanego sygnału z ogromną dokładnością: po prostu sprawdzając, do którego „zęba” na linijce pasuje ten sygnał. Dzięki temu grzebienie stanowią wzorzec pozwalający na kalibrację i strojenie innych urządzeń w bardzo szerokim zakresie. W zależności od tego, gdzie w spektrum elektromagnetycznym taka linijka się znajduje, mówimy o optycznych, radiowych lub terahercowych grzebieniach częstości.
Terahercowe grzebienie częstości są szczególnie interesujące, ponieważ umożliwiłyby kalibrację, a co za tym idzie, bardziej precyzyjne pomiary w dziedzinie częstotliwości znacznie wyższej (szybciej oscylującej) niż fale radiowe, a jednocześnie niższej niż fale optyczne, czyli mówiąc wprost, światło. Tego typu grzebień trudno jest jednak precyzyjnie zmierzyć, jest zbyt szybki dla współczesnej elektroniki, a równocześnie nie da się go zarejestrować metodami optycznymi. Chociaż da się wyznaczyć rozstawienie zębów takiego grzebienia, a także zmierzyć, ile mocy emituje w całym spektrum, trudno ustalić, jaki jest w tej mocy udział pojedynczego zęba.
Naukowcy z Wydziału Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego oraz Centrum Optycznych Technologii Kwantowych przy Centrum Nowych Technologii UW przezwyciężyli to ograniczenie i po raz pierwszy zmierzyli sygnał emitowany przez pojedynczy ząb grzebienia terahercowego. W tym celu wykorzystali gaz atomów rubidu w stanie rydbergowskim. Atom w stanie rydbergowskim to atom, w którym jeden elektron pod wpływem oświetlenia odpowiednio dostrojonymi laserami zostaje wzbudzony na bardzo wysoką orbitę. Taki „napuchnięty” atom staje się kwantową anteną, niezwykle czułą na zewnętrzne pola elektryczne. Co więcej, przy pomocy przestrajalnych laserów można go następnie dostroić do jednej konkretnej częstotliwości takiego pola, w zakresie sięgającym aż do fal terahercowych.
Tradycyjnie w elektrometrii rydbergowskiej do pomiaru pola elektrycznego wykorzystuje się zjawisko tzw. rozszczepienia Autlera-Townesa. Jego ogromną zaletą jest fakt, że wynik pomiaru zależy wyłącznie od fundamentalnych stałych atomowych, co daje nam odczyt absolutnie skalibrowany. W przeciwieństwie do klasycznych anten, które wymagają żmudnego wzorcowania w specjalistycznych laboratoriach radiowych, układ oparty na atomach jest w pewnym sensie wzorcem samym w sobie. Co więcej, dzięki bogactwu stanów energetycznych w atomie, taki czujnik można przestrajać w sposób niemal ciągły w olbrzymim zakresie – od sygnału stałego (DC) aż po wspomniane teraherce. Metoda ta ma jednak swoje ograniczenie: sama w sobie nie jest wystarczająco czuła, by zarejestrować bardzo słabe sygnały terahercowe.
Aby temu zaradzić, zespół badaczy dodatkowo zastosował wynalezioną na UW technikę konwersji fal radiowych na światło i zaadaptował ją do potrzeb promieniowania terahercowego. W tym procesie słaby sygnał terahercowy jest przemieniany w fotony optyczne, które następnie można wykryć z olbrzymią czułością przy użyciu liczników pojedynczych fotonów. To hybrydowe podejście jest kluczem do sukcesu: łączy ekstremalną czułość detekcji fotonowej z możliwością „odzyskania” zdolności kalibracyjnych metody Autlera-Townesa nawet dla najsłabszych sygnałów.
Wykorzystany czujnik oparty na atomach rydbergowskich ma wszystkie cechy potrzebne do przeprowadzenia precyzyjnej kalibracji grzebienia częstości: można go dostroić do pojedynczego zęba grzebienia, a następnie przestroić do kolejnego i kolejnego. Naukowcom udało się zaobserwować w ten sposób kilkadziesiąt zębów w bardzo szerokim zakresie częstotliwości. Dodatkowo, dzięki znajomości fundamentalnych własności atomów, grzebień ten udało się bezpośrednio wykalibrować, precyzyjnie określając jego natężenie.
Uzyskane wyniki tworzą podwaliny pod nową gałąź metrologii. Dzięki zaletom atomów rydbergowskich, przełomowe zastosowania optycznych grzebieni częstości, będą teraz mogły zostać przeniesione do trudnej jak dotąd dziedziny terahercowej. Co kluczowe, w przeciwieństwie do wielu technologii kwantowych wymagających skrajnie niskich temperatur, opracowany układ działa w temperaturze pokojowej, co drastycznie obniża koszty i ułatwia przyszłą komercjalizację. Otwiera to drogę do stworzenia referencyjnych standardów pomiarowych dla nadchodzącej ery technologii terahercowych. Wyniki zostały opisane na na łamach czasopisma „Optica”.
źródło: FUW