基于里德堡原子的微波頻率梳譜儀

中國科學技術大學郭光燦院士團隊在基于里德堡原子的無線傳感上取得新進展。該團隊史保森、丁冬生課題組實現了一種基于里德堡原子的微波頻率梳譜儀，在寬帶微波的探測領域具有應用前景，相關成果7月14日以“Rydberg microwave frequency comb spectrometer”為題發表在美國物理協會（APS）旗下的應用物理期刊Physical Review Applied上。

微波測量在通信、導航、雷達、以及天文探測領域發揮重要作用。里德堡原子具有較大的電偶極矩，它可以對微弱的電場具有很強的響應，因此可以用里德堡原子作為微波傳感器。近年來，該研究方向受到廣泛關注，例如：美國陸軍研究室David H. Meyer等人展示了一個基于熱里德堡原子與平面微波波導耦合的原子射頻接收器和頻譜分析儀[Physical Review Applied 15, 014047 (2021)]。盡管里德堡原子傳感研究取得了重要進展，但仍然存在一些亟待解決的問題，比如可實時接收信號的帶寬（瞬時帶寬）受限于原子系統到達穩態的弛豫時間，通常只有幾MHz，嚴重影響了該體系的實用化進程。

在本工作中，研究團隊基于室溫銫原子體系，利用里德堡原子對微波的混頻響應性質，將微波頻率梳信號設置為本振信號（如圖1所示），演示了基于里德堡微波頻率梳譜儀的微波絕對頻率測量方案，目前可實現的實時響應范圍為125 MHz，且有進一步提升的空間。此外，如圖2，通過利用不同主量子數的里德堡態，系統實現了對不同中心頻率下具有1kHz調制帶寬信號的接收。