آشکارساز اتم ریدبرگ مرز جدیدی از طیف را فتح میکند
گروهی از دانشکدهٔ فیزیک و مرکز فناوریهای نوری کوانتومی در مرکز فناوریهای نوین دانشگاه ورشو، روش جدیدی برای اندازهگیری سیگنالهای دشوار ترهرتز با استفاده از «آنتن کوانتومی» توسعه دادند.
مؤلفان این کار از تنظیمات جدیدی برای شناسایی امواج رادیویی با اتمهای ریدبرگ استفاده کردند تا نه تنها تشخیص، بلکه کالیبراسیون دقیق یک دندانهچین فرکانسی به اصطلاح در باند ترهرتز را انجام دهند. این باند تا پیش از این نقطهای سفید در طیف الکترومغناطیسی بود و راهحلی که در مجله Optica توصیف شده است، راه را برای طیفسنجی فوقحساس و نسل جدید حسگرهای کوانتومی که در دمای محیط کار میکنند، هموار میکند.
پرتوی ترهرتز (THz)، که جزئی از طیف الکترومغناطیسی است، در مرز الکترونیک و نوری قرار دارد و بین میکروویوها (مثلاً در فناوری Wi‑Fi) و نور مادونقرمز واقع شده است.
اگرچه این باند پتانسیل عظیم دارد — از بازرسی بستهها بدون پرتوهای مضر ایکس، تا ارتباط 6G با سرعت فوقالعاده، و طیفسنجی و تصویربرداری ترکیبات آلی — استفاده کاربردی آن برای اندازهگیریهای دقیق و حساس همچنان یک چالش فنی مهم است. سالهای اخیر پیشرفتهای شگرفی در شناسایی و تولید این تابش بهدست آوردهاند، اما اندازهگیری دقیق یک دندانهچین فرکانسی تا به امروز حاصل نشده است.
اهمیت دندانهچینهای فرکانسی در فیزیک
چرا این موضوع اینقدر مهم است؟ دندانهچینهای فرکانسی که جایزهٔ نوبل سال ۲۰۰۵ را به دست آوردند، بهصورت ساده میتوان آنها را بهعنوان یک خطکش فوقدقیق، اما ساختهشده از نور یا امواج رادیویی، تصور کرد. بهجای علامتگذاریهای میلیمتری، مجموعهای از خطوط یکنواخت فاصلهدار («دندانهها») با فرکانسهای دقیقا تعریفشده وجود دارد.
این «خطکش الکترومغناطیسی» به فیزیکدانان امکان میدهد فرکانس یک سیگنال ناشناخته را با دقتی بسیار بالا اندازهگیری کنند — صرفاً با بررسی اینکه سیگنال با کدام «دندانه» از خطکش همراستا میشود. در نتیجه، دندانهچینها بهعنوان استاندارد مرجع برای کالیبراسیون و تنظیم دستگاههای دیگر در دامنهای وسیع به کار میروند. بسته به موقعیت این خطکش در طیف الکترومغناطیسی، به آن دندانهچین نوری، رادیویی یا ترهرتزی میگوییم.
دندانهچینهای فرکانسی ترهرتز بهویژه جذاب هستند؛ زیرا امکان کالیبراسیون و در نتیجهٔ اندازهگیریهای دقیقتری در بازهٔ فرکانسی که بهمراتب بالاتر (سرعت نوسان بیشتری) از امواج رادیویی، اما پایینتر از امواج نوری است، فراهم میکند. اما چنین دندانهچینی بهدقت اندازهگیری دشوار است — برای الکترونیک مدرن بسیار سریع است و در عین حال نمیتوان آن را با روشهای نوری ثبت کرد.
اگرچه فاصلهٔ بین دندانههای دندانهچین قابل تعیین است و توان کل ساطعشده در سراسر طیف میتواند اندازهگیری شود، اما تعیین سهم توان یک دندانهٔ منفرد همچنان دشوار بوده است.
پیشرفت با استفاده از اتمهای ریدبرگ بهعنوان حسگر
دانشمندانی از دانشکدهٔ فیزیک و مرکز فناوریهای نوری کوانتومی در مرکز فناوریهای نوین دانشگاه ورشو، این محدودیت را بهطور موفقیتآمیزی برطرف کردند و برای اولین بار سیگنال ساطعشده توسط یک دندانهٔ منفرد از دندانهچین ترهرتز را اندازهگیری کردند. برای این کار، از گازی از اتمهای روبیدیم در حالت ریدبرگ استفاده کردند.
یک اتم ریدبرگ بهعنوان اتمی تعریف میشود که یک الکترون تنها بهوسیلهٔ لیزرهای دقیقاً تنظیمشده به مدار بسیار بالایی ارتقاء یافته است. این اتم «پفکرده» یک آنتن کوانتومی میشود که حساسیت فوقالعادهای به میدانهای الکتریکی خارجی دارد. علاوه بر این، با استفاده از لیزرهای قابل تنظیم، میتوان آن را به فرکانس خاصی از چنین میدانی تنظیم کرد، در بازهای که تا امواج ترهرتز ادامه مییابد.
بهصورت سنتی، در الکترومتری ریدبرگ، پدیدهٔ تقسیمبندی آتلر‑تاونز (Autler‑Townes) برای اندازهگیری میدان الکتریکی به کار میرود. مزیت بزرگ این روش این است که نتیجهٔ اندازهگیری فقط به ثابتهای اساسی اتمی وابسته است و خوانش کاملاً کالیبرهشدهای را فراهم میکند.
برخلاف آنتنهای کلاسیک که برای کالیبراسیون دقیق به آزمایشگاههای ویژهٔ رادیویی نیاز دارند، سیستم مبتنی بر اتم بهنوعی خود یک استاندارد است. علاوه بر این، بهدلیل وفور حالات انرژی در اتم، چنین حسگری میتواند تقریباً بهصورت پیوسته بر روی یک دامنهٔ وسیع تنظیم شود — از سیگنال جریان مستقیم (DC) تا ترهرتز مذکور.
روش ترکیبی شناسایی و کاربردهای آینده
با این حال، این روش محدودیتی دارد: بهتنهایی برای ثبت سیگنالهای بسیار ضعیف ترهرتز بهانداز کافی حساس نیست. برای رفع این مشکل، تیم پژوهشی علاوه بر این از تکنیک تبدیل موج رادیویی به نور که در دانشگاه ورشو ابداع شده بود، استفاده کرد و آن را برای نیازهای پرتو ترهرتز سازگارسازی کرد.
در این فرایند، سیگنال ضعیف ترهرتز به فوتونهای نوری تبدیل میشود که سپس با استفاده از شمارندههای تکفوتونی با حساسیت بسیار بالا قابل شناساییاند. این رویکرد ترکیبی کلید موفقیت است: حساسیّت افراطی شناسایی فوتون را با قابلیت «بازگرداندن» تواناییهای کالیبراسیون روش آتلر‑تاونز حتی برای ضعیفترین سیگنالها ترکیب میکند.
حسگری که بر پایهٔ اتمهای ریدبرگ ساخته شده، تمام ویژگیهای لازم برای انجام کالیبراسیون دقیق دندانهچین فرکانسی را داراست: میتواند به یک دندانهٔ منفرد از دندانهچین تنظیم شود و سپس به دندانهٔ بعدی و بعدی دیگر تنظیم شود. دانشمندان بهاین طریق توانستند چندین ده دندانه را در بازهٔ فرکانسی بسیار وسیعی مشاهده کنند. علاوه بر این، بهدلیل آگاهی از خواص بنیادی اتمها، دندانهچین بهصورت مستقیم کالیبره شد و شدت آن بهدقت تعیین گردید.
نتایج بهدست آمده توسط فیزیکدانان دانشگاه ورشو — ویکتور کروکوز، یان نووسیلسکی، بارتوش کازا، سباستین بوروکا، ماتیوس مازلانیک، وویچچ واسیلووسکی و میخائِل پارنیاک — فراتر از یک حسگر حساس دیگر هستند. آنها پایهٔ یک شاخهٔ جدید در متروژی را شکل میدهند. بهدلیل مزایای اتمهای ریدبرگ، کاربردهای انقلابی دندانهچینهای فرکانسی نوری اکنون میتوانند به حوزهٔ ترهرتز که پیش از این دشوار بود، منتقل شوند.
نکتهٔ کلیدی این است که برخلاف بسیاری از فناوریهای کوانتومی که به دماهای بسیار پایین نیاز دارند، سیستم توسعهیافته در دمای محیط کار میکند و این امر هزینهها را بهطرز چشمگیری کاهش میدهد و مسیر تجاریسازی آینده را هموار میسازد. این امکان را میدهد تا استانداردهای مرجع اندازهگیری برای دورهٔ پیشرو فناوریهای ترهرتز ایجاد شوند.