Bron: Science Daily | Methode: Herschreven
Origineel: “New quantum antenna reveals a hidden terahertz world”
Researchers at the University of Warsaw have unveiled a breakthrough method for detecting and precisely calibrating terahertz frequency combs using a quantum antenna made from Rydberg atoms. By combining atomic electrometry with a powerful terahertz-to-light conversion technique, they achieved the…
Onderzoekers van de Universiteit van Warschau hebben een baanbrekende methode ontwikkeld om terahertz-straling te detecteren en nauwkeurig te kalibreren. Hun innovatieve “quantumantenne”, gemaakt van Rydberg-atomen, opent de deur naar een voorheen ontoegankelijk deel van het elektromagnetisch spectrum.
**Een blinde vlek in het spectrum**
Terahertz-straling bevindt zich in een uniek gebied van het elektromagnetisch spectrum, tussen microgolven (zoals gebruikt in wifi) en infrarood licht. Tot voor kort werd dit terahertz-gebied beschouwd als een blinde vlek, omdat het technisch zeer moeilijk was om deze straling precies te meten.
De wetenschappers van de Faculteit Fysica en het Centre for Quantum Optical Technologies publiceerden hun bevindingen in het prestigieuze tijdschrift Optica. Hun methode combineert atomaire elektrometrie met een krachtige terahertz-naar-licht conversietechniek, waardoor ze voor het eerst een enkele terahertz-kamtand konden meten – iets wat voorheen onmogelijk was door de beperkingen van elektronische en optische instrumenten.
**Revolutionaire toepassingsmogelijkheden**
De potentiële toepassingen van terahertz-technologie zijn enorm. Denk aan het inspecteren van pakketjes zonder schadelijke röntgenstralen, supersnelle 6G-communicatie, en spectroscopie en beeldvorming van organische verbindingen. Het probleem was echter dat wetenschappers deze mogelijkheden niet konden omzetten in precieze en gevoelige metingen.
**Frequentiekammen als elektromagnetische linialen**
Om het belang van deze doorbraak te begrijpen, moeten we eerst frequentiekammen uitleggen. Deze technologie, die in 2005 een Nobelprijs opleverde, kan worden voorgesteld als een ongelooflijk nauwkeurige liniaal gemaakt van licht of radiogolven in plaats van een vast materiaal.
In plaats van millimetermarkeringen heeft deze “elektromagnetische liniaal” een reeks gelijkmatig verdeelde lijnen (“tanden”) op strikt gedefinieerde frequenties. Hierdoor kunnen natuurkundigen de frequentie van een onbekend signaal met buitengewone nauwkeurigheid bepalen door simpelweg te kijken welke “tand” het matcht.
Afhankelijk van waar in het elektromagnetisch spectrum deze liniaal zich bevindt, spreken wetenschappers van optische, radio- of terahertz-frequentiekammen. Terahertz-frequentiekammen zijn bijzonder aantrekkelijk omdat ze kalibratie en zeer nauwkeurige metingen kunnen ondersteunen in een band waar de oscillatiefrequenties hoger zijn dan typische radiogolven maar lager dan optische golven.
**De uitdaging van terahertz-metingen**
Het probleem was dat dergelijke kammen notoir moeilijk nauwkeurig te meten zijn. Hun oscillaties zijn te snel voor conventionele elektronica en kunnen niet direct worden opgevangen met standaard optische methoden. Onderzoekers konden wel de afstand tussen de kam-“tanden” bepalen en het totale vermogen verspreid over het spectrum meten, maar het bepalen van hoeveel vermogen tot een enkele tand behoorde, bleef een grote uitdaging.
**Rydberg-atomen als quantumantennen**
De Poolse wetenschappers hebben dit obstakel nu overwonnen door een gas van rubidium-atomen te gebruiken die zijn voorbereid in een Rydberg-toestand. Een Rydberg-atoom wordt gedefinieerd als een atoom waarbij een enkel elektron is opgewekt naar een zeer hoge baan door belichting met precies afgestemde lasers.
Dit “opgezwollen” atoom fungeert als een quantumantenne die uiterst gevoelig is voor externe elektrische velden. Door instelbare lasers te gebruiken, kan de detector worden aangepast om te reageren op één specifieke frequentie binnen zo’n veld, over een bereik dat zich uitstrekt tot terahertz-golven.
**Zelfkalibrerende technologie**
Traditioneel wordt in Rydberg-elektrometrie het fenomeen van Autler-Townes-splitsing gebruikt om het elektrische veld te meten. Het enorme voordeel hiervan is dat het meetresultaat alleen afhangt van fundamentele atomaire constanten, wat een absoluut gekalibreerde uitlezing oplevert.
In tegenstelling tot klassieke antennes, die arbeidsintensieve kalibratie in gespecialiseerde radiolaboratoria vereisen, is het op atomen gebaseerde systeem in zekere zin een standaard op zichzelf. Bovendien kan zo’n sensor, dankzij de rijkdom aan energietoestanden in het atoom, bijna continu worden afgestemd over een enorm bereik, van een gelijkstroomsignaal (DC) tot de eerdergenoemde terahertz.
**Hybride benadering voor extreme gevoeligheid**
Deze methode heeft echter een beperking: op zichzelf is het niet gevoelig genoeg om zeer zwakke terahertz-signalen op te nemen. Om dit te verhelpen, paste het onderzoeksteam een radiogolf-naar-licht conversietechniek toe die aan de Universiteit van Warschau werd uitgevonden en aangepast aan de behoeften van terahertz-straling.
In dit proces wordt het zwakke terahertz-signaal omgezet in optische fotonen, die vervolgens met immense gevoeligheid kunnen worden gedetecteerd met behulp van enkelvoudige foton-tellers. Deze hybride benadering is de sleutel tot succes: het combineert de extreme gevoeligheid van fotondetectie met het vermogen om de kalibratiecapaciteiten van de Autler-Townes-methode te “herstellen”, zelfs voor de zwakste signalen.
**Doorbraak in precisie**
De sensor op basis van Rydberg-atomen bezit alle eigenschappen die nodig zijn voor precieze frequentiekam-kalibratie: het kan worden afgestemd op een enkele tand van de kam, en vervolgens opnieuw worden afgestemd op de volgende, en de volgende. De wetenschappers slaagden erin om op deze manier enkele tientallen tanden in een zeer breed frequentiebereik waar te nemen.
**Toekomstperspectieven**
Het onderzoek, uitgevoerd door Wiktor Krokosz, Jan Nowosielski, Bartosz Kasza, Sebastian Borówka, Mateusz Mazelanik, Wojciech Wasilewski en Michał Parniak, vertegenwoordigt veel meer dan de ontwikkeling van een andere gevoelige detector. Hun werk legt de basis voor een nieuw gebied van metrologie.
Belangrijk is dat dit systeem, in tegenstelling tot veel quantumtechnologieën die extreem lage temperaturen vereisen, functioneert bij kamertemperatuur. Dit verlaagt de kosten aanzienlijk en maakt toekomstige commercialisatie realistischer.
Deze doorbraak creëert een kans om referentie-meetstandaarden te bouwen voor de komende generatie terahertz-technologieën. Met behulp van Rydberg-atomen kunnen de transformatieve toepassingen van optische frequentiekammen nu worden uitgebreid naar het voorheen moeilijke terahertz-gebied, wat de weg vrijmaakt voor revolutionaire ontwikkelingen in communicatie, medische beeldvorming en veiligheidstechnologie.