Shanghain optiikka- ja tarkkuuskoneiden instituutti (SIPM) edistyy merkittävästi Rydbergin mikroaaltouunien sähkökentän havaitsemistutkimuksessa

Äskettäin tutkijaryhmä Cheng Huadong Kiinan tiedeakatemian (CAS) avaruus- ja astronautiikkalasertekniikan ja -järjestelmien laitokselta, Shanghain optisen tarkkuus- ja mekaanisen tutkimuksen instituutista (SIPM) ja professori Chen Liqingin ryhmä East China Normal University (ECNU) on kokeellisesti osoittanut ensimmäistä kertaa Rydberg-mikroaaltoanturin, jolla on sekä korkea herkkyys että suuri ohimenevä kaistanleveys rubidium Rydberg -atomeissa. Tulokset julkaistiin nimellä "Erittäin herkkä mikroaaltoelektrometria parannetulla hetkellisellä kaistanleveydellä" julkaisussa PHYSICAL REVIEW APPLIED (paperi julkaistiin julkaisussa PHYSICAL REVIEW APPLIED (Kirje).
Rydberg-atomit ovat erittäin virittyneitä atomeja, joilla on suuret sähköiset dipolimomentit, jotka ovat erittäin herkkiä ulkoisille sähkömagneettisille kentille. Tästä syystä on ehdotettu mikroaaltojen sähkökenttien mittaamista hyödyntämällä Rydberg-atomien sähkömagneettisen induktion läpinäkyvyyttä (EIT) ja Autler-Townesin (AT) vaikutuksia. Havaitsemisherkkyys ja hetkellinen kaistanleveys ovat Rydbergin mikroaaltotunnistuksen tärkeimmät indeksit. Aikaisemmin korkea herkkyys (55 nV cm 1 Hz 1/2) saatiin Rydberg-atomin EIT perusteella, mutta hetkellinen kaistanleveys oli rajoitettu muutamaan sataan kilohertsiin. Samanaikainen korkea herkkyys ja suuri hetkellinen kaistanleveys ovat haaste Ridburgin mikroaaltouunin sähkökentän havaitsemisen tutkimuksessa.
Kuuden aallon sekoitustekniikkaan perustuen tutkimusryhmä esitteli kokeellisesti Rydberg-mikroaaltoanturin rubidium Rydbergin atomikaasukammiossa, joka saavuttaa samanaikaisesti korkean herkkyyden ja suuren hetkellisen kaistanleveyden maksimitunnistusherkkyyden ollessa 62 nVcm-1Hz{ {3}}/2 hetkellisellä kaistanleveydellä jopa 10,2 MHz. Teoreettiset ja kokeelliset tulokset osoittavat, että Tehostettu korkeataajuinen vaste johtuu kuusiaaltosekoitusprosessin tuottaman havaitun valon negatiivisen sivukaistan tehostusvaikutuksesta. Tutkimustulokset edistävät Rydbergin mikroaaltotunnistinteknologian soveltamista tutkassa ja viestinnässä.
Tähän liittyvää työtä tukevat Kiinan kansallinen luonnontieteellinen säätiö ja muut ohjelmat.

Kuva 1 Rydberg-mikroaaltoanturin periaate (a) Kaaviokaavio kokeellisesta järjestelystä
(b) (c) Kaksi kuuden aallon sekoitusprosessia, jotka tuottavat positiivisia ja negatiivisia sivukaistoja

Kuva 2 Rydberg-mikroaaltoanturin herkkyys (a) Supereksotrooppinen signaali verrattuna signaalin mikroaaltotehoon (b) Herkkyys määräytyy järjestelmän kohinan perusteella