Souhrn
Výzkum publikovaný v oblasti atomové a optické fyziky představuje metodu pro vícekanálovou Rydbergovou elektrometrii, která využívá středně infračervený optický frekvenční hřeben jako spojovací laser pro třífotonovou excitaci Rydbergových atomů. Tento přístup umožňuje rychlé přepínání mezi až sedmi Rydbergovými stavy a detekci mikrovlnového a milimetrového záření v pásmu od 1 GHz do 40 GHz. Dosavadní omezení na úzké frekvenční pásmo je tak překonáno.
Klíčové body
- Použití optického frekvenčního hřebenu pro rychlou přípravu více než sedmi Rydbergových stavů.
- Detekce v širokém pásmu 1–40 GHz s možností vícekanálového přepínání.
- Aplikace v pokročilém kódování informací, detekci libovolných signálů a současné měření ultraširokopásmového rádiového záření.
- Data uložena v NIST databázi (https://datapub.nist.gov/pdr/lps/mds2-3660).
Podrobnosti
Rydbergovy atomy, tedy atomy v vysoce excitovaných stavech s velkými orbitálními elektrony, vykazují vysokou citlivost na slabá elektromagnetická pole v mikrovlnovém a milimetrovém pásmu. Tradičně jsou jejich odpovědi omezeny na jednu úzkou frekvenční oblast kolem vybrané přechodové frekvence, což brání jejich využití jako agilních širokopásmových přijímačů. Pro pozorování více stavů by byly potřebné lasery s rozsahy skenování přes 100 GHz, což je technicky náročné.
Výzkumníci tento problém řeší použitím mid-infrared optického frekvenčního hřebenu (optical frequency comb), který slouží jako coupling laser v třífotonovém Rydbergovém schématu. Frekvenční hřeben generuje řadu přesně rozložených frekvenčních linií, což umožňuje rychlé a stabilní přepínání mezi různými Rydbergovými stavy bez mechanického ladění laseru. Experimentálně bylo dosaženo přípravy přes sedmi stavů, což rozšiřuje detekční pásmo na 1–40 GHz. Tato metoda je založena na parní fázi alkalických atomů, jako je rubidium nebo césium, kde Rydbergovy stavy slouží jako SI-traceable sondy polí.
Srovnání s podobnými pracemi ukazuje kontext: například článek o kontinuálním převodníku mikrovln na optické signály pomocí Rydbergových atomů při pokojové teplotě (05.10.2023) nebo hluboké učení pro rozpoznávání multifrekvenčních mikrovln (14.4.2022). Reference zmiňují přehledy jako Schlossberger et al. (Nat. Rev. Phys. 2024) o Rydbergových stavech jako sondách polí a Artusio-Glimpse et al. (IEEE Microw. Mag. 2022) o moderních RF měřeních s horkými atomy. Data z experimentů jsou veřejně dostupná v NIST databázi, což umožňuje reprodukci a další analýzu.
Tento přístup je obecný a flexibilní pro širokopásmové multiplexování, což znamená, že lze snadno rozšířit na další frekvenční pásma úpravou hřebenu. Pro průmysl to otevírá dveře k vývoji kompaktních senzorů bez potřeby kryogenního chlazení, na rozdíl od supravodivých detektorů.
Proč je to důležité
Tato technologie posiluje oblast kvantových senzorů, kde Rydbergova elektrometrie konkuruje konvenčním anténám v citlivosti a přesnosti. V širším kontextu kvantových technologií umožňuje simultánní detekci více signálů, což je klíčové pro 6G komunikace, radarové systémy nebo spektrální analýzu. Pro výzkum to znamená přechod od jednokanálových měření k vícekanálovým systémům, což urychlí aplikace v bezpečnostních systémech nebo spektrálním monitoringu. I když zatím jde o laboratořní demonstraci, generality metody naznačuje potenciál pro komercializaci v RF měřicí technice, kde překonává limity stávajících širokopásmových přijímačů.
Zdroj: 📰 Nature.com
