آنتن کوانتومی ریدبرگ: کلید گشایش دنیای پنهان امواج تراهرتز؟

فیزیک‌دانان دانشگاه ورشو با استفاده از اتم‌های ریدبرگ به عنوان آنتن‌های کوانتومی، بر مانع بزرگی در اندازه‌گیری دقیق امواج تراهرتز غلبه کرده‌اند. آن‌ها برای نخستین بار توانستند سیگنال منتشرشده از یک دندانه منفرد شانه فرکانسی تراهرتز را اندازه‌گیری کنند. این موفقیت، بنیان‌گذار حوزه‌ای نو در علم اندازه‌گیری (مترولوژی) و گامی کلیدی برای بهره‌برداری از پتانسیل کامل این بخش مرموز از طیف الکترومغناطیسی محسوب می‌شود.

شانه فرکانسی تراهرتز: خط‌کش فوق‌دقیق الکترومغناطیسی

تابش تراهرتز که بین امواج مایکروویو و فروسرخ قرار دارد، پتانسیل فوق‌العاده‌ای برای کاربردهایی مانند ارتباطات فوق‌سریع نسل 6G، تصویربرداری پزشکی غیرمخرب و بازرسی امنیتی بسته‌ها دارد. با این حال، اندازه‌گیری دقیق آن همواره چالشی بزرگ بوده است. شانه‌های فرکانسی تراهرتز به عنوان خط‌کش‌های فوق‌دقیق الکترومغناطیسی عمل می‌کنند، اما تاکنون تعیین میزان توان مربوط به یک دندانه منفرد از این شانه ممکن نبود.

اتم‌های ریدبرگ؛ آنتن‌های کوانتومی طبیعی

کلید این دستاورد، استفاده از اتم‌های گاز روبیدیوم در حالت ریدبرگ بود. در این حالت، یک الکترون اتم به مداری بسیار بالا برانگیخته می‌شود و اتمی «متورم‌شده» ایجاد می‌کند که مانند یک آنتن کوانتومی فوق‌حساس به میدان‌های الکتریکی خارجی عمل می‌کند. مزیت بزرگ این روش، وابستگی نتایج اندازه‌گیری به ثابت‌های بنیادی اتمی است که خوانشی کاملاً کالیبره‌شده و بدون نیاز به کالیبراسیون‌های زمان‌بر آزمایشگاهی ارائه می‌دهد.

ترکیب دو تکنیک برای حساسیت بی‌سابقه

برای غلبه بر ضعف سیگنال‌های تراهرتز، محققان از یک تکنیک هیبریدی استفاده کردند. آن‌ها روش الکترومتری ریدبرگ مبتنی بر پدیده شکافت اتلر–تاونز را با تکنیک تبدیل امواج رادیویی به نور ترکیب کردند. در این فرآیند، سیگنال ضعیف تراهرتز به فوتون‌های نوری تبدیل شده و سپس با شمارنده‌های تک‌فوتونی آشکارسازی می‌شود. این ترکیب، حساسیت فوق‌العاده آشکارسازی فوتون را با دقت کالیبراسیون ذاتی روش اتمی در اختیار می‌گذارد.

گشایش افق‌های جدید در فناوری

این حسگر مبتنی بر اتم‌های ریدبرگ به دانشمندان امکان داد تا چندین ده دندانه از شانه فرکانسی تراهرتز را در گستره وسیعی از فرکانس‌ها مشاهده و به طور مستقیم کالیبره کنند. برخلاف بسیاری از فناوری‌های کوانتومی، این سیستم در دمای اتاق عمل می‌کند که هزینه‌ها را به شدت کاهش داده و مسیر را برای تجاری‌سازی در آینده هموار می‌سازد. این دستاورد، امکان ایجاد استانداردهای مرجع اندازه‌گیری برای نسل آینده فناوری‌های تراهرتز را فراهم می‌آورد.

منبع: Rokna