近期，山西大學激光光譜研究所賈鎖堂教授和肖連團教授帶領團隊在基于原子體系的微波精密測量研究中取得了突破性進展，在國際上首次實現里德堡原子微波超外差接收機樣機，極大提升了微波電場場強的探測靈敏度，微波測量靈敏度達55nV/（cm·Hz1/2），優于之前國際最好水平【Nat. Phys. 8, 819–824 (2012)】1000倍，最小可探測微波場強約400pV/cm，優于之前國際最好水平10000倍。

相關研究成果“Atomic superheterodyne receiver based on microwave-dressed Rydberg spectroscopy”于2020年6月1日發表在Nature Physics (自然·物理學)。論文第一作者為博士研究生景明勇、共同第一作者為胡穎教授，通訊作者為張臨杰教授和肖連團教授，研究人員還包括馬杰教授、張好副教授。

圖1：實驗裝置簡圖

圖2：原子超外差測量方法進行微波電場絕對值測量的實驗結果。超高靈敏度的原子超外差測量方法實現了可溯源極微弱微波電場測量。

微波測量系統是人類觀察世界的另一只“眼睛”，它通過測量“看不見、摸不著”的微波信號，極大地提升了人類對周邊環境及宇宙的認知水平。利用微波遙感技術可以測繪人類難以涉足地區的地形地貌、探索廣袤神秘的宇宙太空。隨著人類對未知世界探索的不斷深入，經典微波測量方法在探測靈敏度和測量精確度方面都已經無法滿足現實需求。

該團隊創新性地提出了基于里德堡原子體系的微波超外差測量方法，實現了目前國際上最為靈敏的、可溯源至國際標準單位制的微波相敏測量。

經典微波測量方法通過微波誘導金屬中自由電子產生有規律的感應電流來提取微波電場的信息。然而金屬中的自由電子具有隨機熱運動特性，仿佛街道上的行人在沿著道路前行的過程中難免出現駐足和隨意走動，自由電子熱運動將在感應電流中引入隨機熱噪聲，這是經典微波測量方法實現超高靈敏度探測難以突破的瓶頸。

該團隊提出的基于可控原子體系的微波超外差測量新原理和新技術從根本上避免了經典微波測量方法中自由電子隨機熱噪聲的影響。“我們使用的是人造的特殊原子，即里德堡原子。利用精密激光系統制備的超大尺寸里德堡原子對外界微波電場異常敏感，因此特別適合進行極微弱微波探測。而可控的原子體系如同在交通法規約束下街道上的車流，其行為更為有序。”研究人員解釋說。待測微波導致數以億計的里德堡原子量子狀態發生同步變化，通過對原子量子狀態進行光學非破壞測量可以獲得微波的強度、頻率、相位等信息。這種測量方法可以達到原子投影噪聲極限靈敏度，理論上遠優于經典微波測量方法。

“經典方法對微波電場的測量就好比于人眼對環境亮度的感受。由于觀察者對于環境亮度的感受不僅取決于觀察者自身視力的好壞，還受到觀察者的主觀判斷的影響，因此對于不同的觀察者，其對絕對亮度的感受具有較大的差異。”研究人員解釋道：“經典的微波測量方法需要經過多次校準操作來實現微波的絕對值測量，多次校準過程導致測量不確定度較大，難以實現精確測量。”

該團隊提出的基于原子體系微波測量系統很好地實現了微波的精確測量。由于原子自身十分穩定，原子測量體系僅通過單次校準過程便可以將微波測量溯源到國際標準單位制，使得其在測量精度上相對于經典測量系統具有顯著的優勢。

這項工作得到量子光學與光量子器件國家重點實驗室(山西大學)、極端光學省部共建協同創新中心(山西大學)以及國家重點研發計劃、國家自然科學基金重大儀器研制項目和國家優秀青年科學基金項目的支持。

研究成果原文閱讀鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41567-020-0918-5

來源：山西大學激光光譜研究所