中國科大實現(xiàn)里德堡原子微波頻率梳譜儀

中國科學技術(shù)大學郭光燦院士團隊在基于里德堡原子的無線傳感上取得新進展。該團隊史保森、丁冬生課題組實現(xiàn)了一種基于里德堡原子的微波頻率梳譜儀，在寬帶微波的探測領(lǐng)域具有應(yīng)用前景，相關(guān)成果7月14日以“Rydberg microwave frequency comb spectrometer”為題發(fā)表在美國物理協(xié)會（APS）旗下的應(yīng)用物理期刊Physical Review Applied上。

微波測量在通信、導航、雷達、以及天文探測領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。里德堡原子具有較大的電偶極矩，它可以對微弱的電場具有很強的響應(yīng)，因此可以用里德堡原子作為微波傳感器。近年來，該研究方向受到廣泛關(guān)注，例如：美國陸軍研究室David H. Meyer等人展示了一個基于熱里德堡原子與平面微波波導耦合的原子射頻接收器和頻譜分析儀[Physical Review Applied 15, 014047 (2021)]。盡管里德堡原子傳感研究取得了重要進展，但仍然存在一些亟待解決的問題，比如可實時接收信號的帶寬（瞬時帶寬）受限于原子系統(tǒng)到達穩(wěn)態(tài)的弛豫時間，通常只有幾MHz，嚴重影響了該體系的實用化進程。

在本工作中，研究團隊基于室溫銫原子體系，利用里德堡原子對微波的混頻響應(yīng)性質(zhì)，將微波頻率梳信號設(shè)置為本振信號（如圖1所示），演示了基于里德堡微波頻率梳譜儀的微波絕對頻率測量方案，目前可實現(xiàn)的實時響應(yīng)范圍為125 MHz，且有進一步提升的空間。此外，如圖2，通過利用不同主量子數(shù)的里德堡態(tài)，系統(tǒng)實現(xiàn)了對不同中心頻率下具有1kHz調(diào)制帶寬信號的接收。

圖1 (a)原子能級圖。(b)絕對頻率測量的原理圖(c)為實驗裝置圖

圖2不同里德堡態(tài)（主量子數(shù)n不同）對于不同中心頻率的1kHz帶寬調(diào)制信號的接收演示。

這項工作的創(chuàng)新之處在于利用微波頻率梳拓寬了里德堡原子對微波信號的響應(yīng)范圍，一定程度上彌補了里德堡原子在微波探測中瞬時帶寬窄的不足，實現(xiàn)在更寬范圍內(nèi)對信號的絕對頻率測量，可以充分發(fā)揮里德堡原子對微波的大響應(yīng)帶寬和高靈敏度的特性。此外，該方法也可有效接收相位信息，有望應(yīng)用于微波通信和測量等領(lǐng)域。

中科院量子信息重點實驗室博士研究生張力華為本文的第一作者，丁冬生教授、史保森教授為本文的共同通訊作者。該成果得到了科技部、基金委、中科院、安徽省重大科技專項以及中國科學技術(shù)大學的資助。