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(duì)在基于原子體系的微波精密測(cè)量研究中取得了突破性進(jìn)展，在國(guó)際上首次實(shí)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(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)的探測(cè)靈敏度，微波測(cè)量靈敏度達(dá)55nV/（cm·Hz1/2），優(yōu)于之前國(guó)際最好水平【Nat. Phys. 8, 819–824 (2012)】1000倍，最小可探測(cè)微波場(chǎng)強(qiáng)約400pV/cm，優(yōu)于之前國(guó)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(shí)驗(yàn)裝置簡(jiǎn)圖

圖2：原子超外差測(cè)量方法進(jìn)行微波電場(chǎng)絕對(duì)值測(cè)量的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。超高靈敏度的原子超外差測(cè)量方法實(shí)現(xiàn)了可溯源極微弱微波電場(chǎng)測(cè)量。

微波測(cè)量系統(tǒng)是人類觀察世界的另一只“眼睛”，它通過(guò)測(cè)量“看不見(jiàn)、摸不著”的微波信號(hào)，極大地提升了人類對(duì)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(cè)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(duì)未知世界探索的不斷深入，經(jīng)典微波測(cè)量方法在探測(cè)靈敏度和測(cè)量精確度方面都已經(jīng)無(wú)法滿足現(xiàn)實(shí)需求。

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

經(jīng)典微波測(cè)量方法通過(guò)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(lái)提取微波電場(chǎng)的信息。然而金屬中的自由電子具有隨機(jī)熱運(yùn)動(dòng)特性，仿佛街道上的行人在沿著道路前行的過(guò)程中難免出現(xiàn)駐足和隨意走動(dòng)，自由電子熱運(yùn)動(dòng)將在感應(yīng)電流中引入隨機(jī)熱噪聲，這是經(jīng)典微波測(cè)量方法實(shí)現(xiàn)超高靈敏度探測(cè)難以突破的瓶頸。

該團(tuán)隊(duì)提出的基于可控原子體系的微波超外差測(cè)量新原理和新技術(shù)從根本上避免了經(jīng)典微波測(cè)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(duì)外界微波電場(chǎng)異常敏感，因此特別適合進(jìn)行極微弱微波探測(cè)。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(shuō)。待測(cè)微波導(dǎo)致數(shù)以億計(jì)的里德堡原子量子狀態(tài)發(fā)生同步變化，通過(guò)對(duì)原子量子狀態(tài)進(jìn)行光學(xué)非破壞測(cè)量可以獲得微波的強(qiáng)度、頻率、相位等信息。這種測(cè)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(cè)量方法。

“經(jīng)典方法對(duì)微波電場(chǎng)的測(cè)量就好比于人眼對(duì)環(huán)境亮度的感受。由于觀察者對(duì)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(duì)于不同的觀察者，其對(duì)絕對(duì)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(cè)量方法需要經(jīng)過(guò)多次校準(zhǔn)操作來(lái)實(shí)現(xiàn)微波的絕對(duì)值測(cè)量，多次校準(zhǔn)過(guò)程導(dǎo)致測(cè)量不確定度較大，難以實(shí)現(xiàn)精確測(cè)量。”

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

這項(xiàng)工作得到量子光學(xué)與光量子器件國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金重大儀器研制項(xiàng)目和國(guó)家優(yōu)秀青年科學(xué)基金項(xiàng)目的支持。

研究成果原文閱讀鏈接：

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

來(lái)源：山西大學(xué)激光光譜研究所