rozwiń ›

Teraherce – brakujące ogniwo widma

Promieniowanie terahercowe (THz) zajmuje szczególne miejsce w widmie elektromagnetycznym: leży pomiędzy mikrofalami, wykorzystywanymi m.in. w technologiach bezprzewodowych, a podczerwienią, czyli „ciepłem”, które rejestrują kamery termowizyjne. Od lat mówi się o jego ogromnym potencjale – od bezpiecznego skanowania przesyłek i materiałów, przez spektroskopię chemiczną, aż po ultraszybką komunikację przyszłych sieci 6G.

Reklama

Problem w tym, że teraherce długo pozostawały „białą plamą” – niezwykle trudną do precyzyjnych pomiarów. Są zbyt szybkie dla klasycznej elektroniki, a jednocześnie zbyt wolne, by wygodnie badać je metodami optycznymi.

Świetlna linijka, czyli czym jest grzebień częstości

Kluczowym narzędziem nowoczesnej metrologii są grzebienie częstości – odkrycie tak przełomowe, że w 2005 roku uhonorowano je Nagrodą Nobla. Najprościej wyobrazić je sobie jako idealnie precyzyjną linijkę, ale zamiast kresek mamy równomiernie rozmieszczone linie o ściśle określonych częstotliwościach.

Dzięki takiej „elektromagnetycznej podziałce” można z ogromną dokładnością mierzyć nieznane sygnały oraz kalibrować urządzenia pomiarowe. Grzebienie optyczne i radiowe zrewolucjonizowały wiele dziedzin nauki i technologii. Ich terahercowy odpowiednik do tej pory pozostawał jednak poza zasięgiem precyzyjnych pomiarów – zwłaszcza jeśli chodzi o sygnał emitowany przez pojedynczy „ząb” grzebienia.

Reklama

Kwantowa antena z atomu

Ten problem udało się przełamać zespołowi z Wydziału Fizyki UW oraz Centrum Optycznych Technologii Kwantowych przy Centrum Nowych Technologii UW. Naukowcy zaproponowali zupełnie nowe podejście do detekcji teraherców, wykorzystując… pojedyncze atomy.

Kluczową rolę odegrały atomy rubidu w stanie rydbergowskim. To szczególne stany atomowe, w których jeden z elektronów zostaje wzbudzony na bardzo odległą orbitę. Taki „napuchnięty” atom staje się niezwykle czuły na zewnętrzne pola elektryczne – zachowuje się jak miniaturowa, kwantowa antena. Co więcej, odpowiednio dobierając lasery, można go „nastroić” na konkretną częstotliwość pola, nawet w zakresie terahercowym.

Absolutna kalibracja bez wzorcowania

W elektrometrii rydbergowskiej wykorzystuje się zjawisko rozszczepienia Autlera–Townesa. Jego wielką zaletą jest to, że wynik pomiaru opiera się wyłącznie na fundamentalnych własnościach atomu. Oznacza to, że taki detektor jest z definicji absolutnie skalibrowany – w przeciwieństwie do klasycznych anten, które wymagają skomplikowanego wzorcowania w wyspecjalizowanych laboratoriach. Problemem pozostawała jednak czułość: bardzo słabe sygnały terahercowe wciąż były poza zasięgiem tej metody.

Gdy teraherce stają się światłem

Aby to obejść, badacze sięgnęli po opracowaną wcześniej na Uniwersytecie Warszawskim technikę konwersji fal radiowych na światło i zaadaptowali ją do zakresu terahercowego. W praktyce oznacza to, że słaby sygnał THz jest „zamieniany” na fotony optyczne, które można wykrywać z ekstremalną czułością za pomocą liczników pojedynczych fotonów. To właśnie połączenie dwóch światów – absolutnej kalibracji zapewnianej przez atomy oraz ultraczułej detekcji optycznej – okazało się kluczem do sukcesu.

Pierwszy taki pomiar

Dzięki temu hybrydowemu podejściu naukowcom udało się po raz pierwszy bezpośrednio zmierzyć sygnał pochodzący od pojedynczego zęba terahercowego grzebienia częstości. Co więcej, atomowy detektor można było kolejno dostrajać do następnych linii grzebienia, obserwując kilkadziesiąt z nich w bardzo szerokim zakresie częstotliwości. Znajomość fundamentalnych własności atomów pozwoliła także precyzyjnie skalibrować natężenie całego grzebienia.

Nowa metrologia w temperaturze pokojowej

Osiągnięcie polskich naukowców to coś więcej niż kolejny czuły detektor. To fundament pod nową gałąź metrologii terahercowej, która może przenieść rewolucyjne możliwości grzebieni częstości w zupełnie nowy zakres widma.

Szczególnie istotne jest to, że – w przeciwieństwie do wielu technologii kwantowych – cały układ działa w temperaturze pokojowej. Znacząco obniża to koszty, upraszcza konstrukcję i przybliża realne zastosowania przemysłowe. W przyszłości może to doprowadzić do powstania referencyjnych standardów pomiarowych dla nadchodzącej ery technologii terahercowych.

Źródło: Wydział Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego