新量子天线揭开太赫兹神秘世界

太赫兹（THz）辐射是电磁波谱的一部分，处于电子学和光学的交界处，位于微波（如用于Wi-Fi）和红外线之间。尽管它在诸多领域潜力巨大，包括无需有害X射线的包裹检测、超高速6G通信以及有机化合物的光谱学和成像等，但将这种潜力转化为精确且灵敏的测量在技术上一直极具挑战。过去几年，科学家在太赫兹辐射的产生和探测方面取得了重大进展，但此前一直无法以所需精度测量该区域的频率梳。

频率梳：超精确的电磁尺子
为何这如此重要？2005年获得诺贝尔奖的频率梳，可以想象成一把极其精确的尺子，它不是由固体材料制成，而是由光或无线电波构成。它没有毫米刻度，而是一系列严格定义频率的等间隔谱线（“齿”）。这把“电磁尺子”能让物理学家通过观察未知信号与哪根“齿”匹配，就能以极高精度确定其频率。因此，频率梳可作为参考标准，用于在广泛频率范围内校准和稳定多种仪器。根据这把“尺子”在电磁波谱中的位置，科学家们会提及光学、无线电或太赫兹频率梳。

太赫兹频率梳尤为引人注目，因为它们能在振荡频率高于典型无线电波但低于光波（可见光）的频段支持校准和高精度测量。然而，这类频率梳极难进行高精度测量，因为其振荡对传统电子设备而言太快，且无法用标准光学方法直接捕捉。研究人员已能确定梳“齿”间的间距以及频谱上的总功率分布，但确定单根“齿”的功率一直是重大挑战。

里德堡原子变身量子天线
华沙大学新技术中心物理学院和量子光学技术中心的科学家们现已克服这一障碍，首次测量到单个太赫兹频率梳齿发射的信号。为实现这一目标，他们使用了处于里德堡态的铷原子气体。里德堡原子指的是通过精确调谐的激光照射，使单个电子被激发到极高轨道的原子。这种“膨胀”的原子就像一个量子天线，对外部电场极为敏感。此外，通过使用可调谐激光，探测器可被调整为对电场中特定频率做出响应，响应范围最高可达太赫兹波。

传统上，在里德堡静电测量中，会利用奥特勒-汤斯分裂现象来测量电场。其巨大优势在于，测量结果仅取决于基本原子常数，能提供绝对校准的读数。与需要在专业无线电实验室进行繁琐校准的传统天线不同，这种基于原子的系统在某种意义上本身就是一种标准。而且，由于原子中能量状态丰富，这种传感器几乎可以在从直流电（DC）信号到上述太赫兹波的巨大范围内连续调谐。

混合太赫兹-光转换实现超高灵敏度
然而，这种方法有一个局限性：其本身灵敏度不足以记录极弱的太赫兹信号。为解决这一问题，研究团队额外应用了华沙大学发明的无线电波-光转换技术，并将其调整以适应太赫兹辐射的需求。在这一过程中，微弱的太赫兹信号被转换为光子，然后可使用单光子计数器以极高灵敏度进行探测。这种混合方法是成功的关键：它将光子探测的超高灵敏度与奥特勒-汤斯方法的校准能力相结合，即使对于最弱的信号也能“恢复”校准功能。

基于里德堡原子的传感器具备精确校准频率梳所需的所有特性：它可以调谐到梳的单根“齿”，然后再调谐到下一根，以此类推。科学家们通过这种方式在极宽的频率范围内观测到了几十根“齿”。此外，借助对原子基本特性的了解，频率梳得以直接校准，其强度也被精确测定。

太赫兹计量与未来技术的新路径
华沙大学物理学家维克托·克罗科什、扬·诺沃谢尔斯基、巴托斯·卡扎、塞巴斯蒂安·博罗夫卡、马特乌斯·马泽拉尼克、沃伊切赫·瓦西莱夫斯基和米哈乌·帕尼亚克取得的成果远不止是开发了另一种灵敏探测器。他们的工作为计量学的新领域奠定了基础。借助里德堡原子，光学频率梳的变革性应用现在可以扩展到此前难以涉足的太赫兹区域。重要的是，与许多需要极低温的量子技术不同，该系统在室温下运行，这大大降低了成本，使未来商业化更具现实可能性。这为下一代太赫兹技术建立参考测量标准创造了机会。