近期，山西大學(xué)激光光譜研究所賈鎖堂教授和肖連團(tuán)教授帶領(lǐng)團(tuán)隊在基于原子體系的微波精密測量研究中取得了突破性進(jìn)展，在國際上首次實現(xiàn)里德堡原子微波超外差接收機(jī)樣機(jī)，極大提升了微波電場場強(qiáng)的探測靈敏度，微波測量靈敏度達(dá)55nV/（cm·Hz1/2），優(yōu)于之前國際最好水平【Nat. Phys. 8, 819–824 (2012)】1000倍，最小可探測微波場強(qiáng)約400pV/cm，優(yōu)于之前國際最好水平10000倍。

相關(guān)研究成果“Atomic superheterodyne receiver based on microwave-dressed Rydberg spectroscopy”于2020年6月1日發(fā)表在Nature Physics (自然·物理學(xué))。論文第一作者為博士研究生景明勇、共同第一作者為胡穎教授，通訊作者為張臨杰教授和肖連團(tuán)教授，研究人員還包括馬杰教授、張好副教授。

圖1：實驗裝置簡圖

圖2：原子超外差測量方法進(jìn)行微波電場絕對值測量的實驗結(jié)果。超高靈敏度的原子超外差測量方法實現(xiàn)了可溯源極微弱微波電場測量。

微波測量系統(tǒng)是人類觀察世界的另一只“眼睛”，它通過測量“看不見、摸不著”的微波信號，極大地提升了人類對周邊環(huán)境及宇宙的認(rèn)知水平。利用微波遙感技術(shù)可以測繪人類難以涉足地區(qū)的地形地貌、探索廣袤神秘的宇宙太空。隨著人類對未知世界探索的不斷深入，經(jīng)典微波測量方法在探測靈敏度和測量精確度方面都已經(jīng)無法滿足現(xiàn)實需求。

該團(tuán)隊創(chuàng)新性地提出了基于里德堡原子體系的微波超外差測量方法，實現(xiàn)了目前國際上最為靈敏的、可溯源至國際標(biāo)準(zhǔn)單位制的微波相敏測量。

經(jīng)典微波測量方法通過微波誘導(dǎo)金屬中自由電子產(chǎn)生有規(guī)律的感應(yīng)電流來提取微波電場的信息。然而金屬中的自由電子具有隨機(jī)熱運(yùn)動特性，仿佛街道上的行人在沿著道路前行的過程中難免出現(xiàn)駐足和隨意走動，自由電子熱運(yùn)動將在感應(yīng)電流中引入隨機(jī)熱噪聲，這是經(jīng)典微波測量方法實現(xiàn)超高靈敏度探測難以突破的瓶頸。

該團(tuán)隊提出的基于可控原子體系的微波超外差測量新原理和新技術(shù)從根本上避免了經(jīng)典微波測量方法中自由電子隨機(jī)熱噪聲的影響。“我們使用的是人造的特殊原子，即里德堡原子。利用精密激光系統(tǒng)制備的超大尺寸里德堡原子對外界微波電場異常敏感，因此特別適合進(jìn)行極微弱微波探測。而可控的原子體系如同在交通法規(guī)約束下街道上的車流，其行為更為有序。”研究人員解釋說。待測微波導(dǎo)致數(shù)以億計的里德堡原子量子狀態(tài)發(fā)生同步變化，通過對原子量子狀態(tài)進(jìn)行光學(xué)非破壞測量可以獲得微波的強(qiáng)度、頻率、相位等信息。這種測量方法可以達(dá)到原子投影噪聲極限靈敏度，理論上遠(yuǎn)優(yōu)于經(jīng)典微波測量方法。

“經(jīng)典方法對微波電場的測量就好比于人眼對環(huán)境亮度的感受。由于觀察者對于環(huán)境亮度的感受不僅取決于觀察者自身視力的好壞，還受到觀察者的主觀判斷的影響，因此對于不同的觀察者，其對絕對亮度的感受具有較大的差異。”研究人員解釋道：“經(jīng)典的微波測量方法需要經(jīng)過多次校準(zhǔn)操作來實現(xiàn)微波的絕對值測量，多次校準(zhǔn)過程導(dǎo)致測量不確定度較大，難以實現(xiàn)精確測量。”

該團(tuán)隊提出的基于原子體系微波測量系統(tǒng)很好地實現(xiàn)了微波的精確測量。由于原子自身十分穩(wěn)定，原子測量體系僅通過單次校準(zhǔn)過程便可以將微波測量溯源到國際標(biāo)準(zhǔn)單位制，使得其在測量精度上相對于經(jīng)典測量系統(tǒng)具有顯著的優(yōu)勢。

這項工作得到量子光學(xué)與光量子器件國家重點實驗室(山西大學(xué))、極端光學(xué)省部共建協(xié)同創(chuàng)新中心(山西大學(xué))以及國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金重大儀器研制項目和國家優(yōu)秀青年科學(xué)基金項目的支持。

研究成果原文閱讀鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41567-020-0918-5

來源：山西大學(xué)激光光譜研究所