Μια ερευνητική ομάδα από τη Σχολή Φυσικής και το Κέντρο Κβαντικών Οπτικών Τεχνολογιών στο Κέντρο Νέων Τεχνολογιών του Πανεπιστημίου της Βαρσοβίας ανέπτυξε μια νέα μέθοδο μέτρησης των δυσπρόσιτων σημάτων τεραχέρτζ χρησιμοποιώντας μια «κβαντική κεραία».
Οι επιστήμονες χρησιμοποίησαν μια πρωτοποριακή διάταξη ανίχνευσης ραδιοκυμάτων με άτομα rydberg για να ανιχνεύσουν αλλά και να βαθμονομήσουν με ακρίβεια μια κτένα συχνοτήτων στην περιοχή των τεραχέρτζ, μια περιοχή που μέχρι πρόσφατα θεωρούνταν λευκό σημείο στο ηλεκτρομαγνητικό φάσμα. Η λύση, δημοσιευμένη στο περιοδικό Optica, ανοίγει τον δρόμο για υπερευαίσθητη φασματοσκοπία και νέα γενιά κβαντικών αισθητήρων που λειτουργούν σε θερμοκρασία δωματίου.
Τι είναι οι κτένες συχνοτήτων
Οι κτένες συχνοτήτων σκεφτείτε ότι είναι ένας εξαιρετικά ακριβής χάρακας από φως ή ραδιοκύματα. Αντί για χιλιοστομετρικές χαράξεις, διαθέτουν σειρές ομοιόμορφα κατανεμημένων «δοντιών» σε αυστηρά καθορισμένες συχνότητες. Ο «ηλεκτρομαγνητικός αυτός χάρακας» επιτρέπει στους φυσικούς να μετρούν με ακραία ακρίβεια τη συχνότητα ενός άγνωστου σήματος, απλώς ελέγχοντας με ποιο «δόντι» ευθυγραμμίζεται. Έτσι χρησιμοποιούνται για βαθμονόμηση και ρύθμιση συσκευών σε πολύ μεγάλο εύρος συχνοτήτων.
Οι κτένες συχνοτήτων στην περιοχή των τεραχέρτζ είναι ιδιαίτερα σημαντικές, επειδή επιτρέπουν ακριβέστερες μετρήσεις σε συχνότητες υψηλότερες από τα ραδιοκύματα αλλά χαμηλότερες από το ορατό φως. Όμως η ακριβής μέτρησή τους είναι δύσκολη: οι ταλαντώσεις τους είναι πολύ γρήγορες για τα σύγχρονα ηλεκτρονικά και ταυτόχρονα δεν μπορούν να καταγραφούν με οπτικές μεθόδους. Έτσι, ενώ μπορούσε να μετρηθεί η απόσταση των «δοντιών» και η συνολική ισχύς, δεν ήταν δυνατό να μετρηθεί η ισχύς κάθε μεμονωμένου «δοντιού».
Η ανακάλυψη με τα άτομα rydberg
Οι φυσικοί της Βαρσοβίας κατάφεραν για πρώτη φορά να μετρήσουν το σήμα από ένα μόνο «δόντι» μιας κτένας τεραχέρτζ. Για να το επιτύχουν, χρησιμοποίησαν άτομα ρουβιδίου σε κατάσταση rydberg – άτομα με ένα ηλεκτρόνιο εξαιρετικά διεγερμένο σε υψηλή τροχιά. Το άτομο γίνεται «διογκωμένο» και λειτουργεί σαν κβαντική κεραία, εξαιρετικά ευαίσθητη σε ηλεκτρικά πεδία και ικανή να συντονιστεί σε μια μόνο συχνότητα.
Στη μέθοδο αυτή χρησιμοποιείται το φαινόμενο διπλής διαχωρισμένης κατάστασης autler-townes, το οποίο εξασφαλίζει ότι το αποτέλεσμα της μέτρησης εξαρτάται μόνο από θεμελιώδεις ατομικές σταθερές, προσφέροντας απόλυτα βαθμονομημένη μέτρηση. Σε αντίθεση με τις κλασικές κεραίες που απαιτούν χρονοβόρα βαθμονόμηση, τα άτομα rydberg αποτελούν από μόνα τους πρότυπο αναφοράς.
Υβριδική μέθοδος με μετατροπή ραδιοκύματος σε φως
Ωστόσο, η μέθοδος αυτή από μόνη της δεν είναι αρκετά ευαίσθητη για τα ασθενέστερα σήματα τεραχέρτζ. Έτσι, οι ερευνητές χρησιμοποίησαν επιπλέον μια τεχνική μετατροπής του ασθενούς σήματος τεραχέρτζ σε οπτικά φωτόνια. Αυτά μπορούν να ανιχνευθούν με εξαιρετική ευαισθησία χρησιμοποιώντας καταμετρητές μεμονωμένων φωτονίων. Ο συνδυασμός των δύο μεθόδων επέτρεψε την ακριβή μέτρηση ακόμη και των πιο αδύναμων σημάτων.
Οι ερευνητές κατόρθωσαν να συντονίσουν τον ανιχνευτή σε κάθε μεμονωμένο «δόντι» της κτένας και να παρατηρήσουν δεκάδες «δόντια» σε ευρύ φάσμα συχνοτήτων. Μέσω των θεμελιωδών ατομικών ιδιοτήτων, η κτένα βαθμονομήθηκε απευθείας, προσδιορίζοντας με ακρίβεια την έντασή της.
Δρόμος για νέους κβαντικούς αισθητήρες
Τα αποτελέσματα των επιστημόνων αποτελούν τη βάση για μια νέα κατηγορία μετρολογίας. Οι εφαρμογές των οπτικών κτενών συχνοτήτων μπορούν πλέον να μεταφερθούν και στην απαιτητική περιοχή των τεραχέρτζ. Και το πιο σημαντικό: το σύστημα λειτουργεί σε θερμοκρασία δωματίου, κάτι που μειώνει το κόστος και ανοίγει τον δρόμο για μελλοντική εμπορική αξιοποίηση και για τη δημιουργία νέων προτύπων αναφοράς στην εποχή των τεχνολογιών τεραχέρτζ.
Περισσότερες πληροφορίες: Wiktor Krokosz et al, Μετρολογία ηλεκτρικού πεδίου μιας χτένας συχνότητας terahertz χρησιμοποιώντας άτομα Rydberg, Optica (2025). DOI: 10.1364/optica.578051
Πληροφορίες περιοδικού: Optica
Παρέχεται από το Πανεπιστήμιο της Βαρσοβίας