基于原子天线的低频电场量子精密测量和应用

基于原子系综的量子精密测量体系具有高准确和高稳定的特点,是未来先进测量体系的发展方向之一。其中,基于里德堡原子的电场测量具有高灵敏、超宽带以及优异的电气隔离等特性,近年来受到广泛关注。然而,当前基于里德堡原子的电场量子精密测量研究多集中于微波频段,GHz以下的低频电场测量研究较少。鉴于DC~MHz频段电场的高灵敏探测在地球物理、生物传感、国防通信、太空探索等方面具有重要的科学意义和应用价值,本文梳理了DC~MHz频段的新型天线研究进展,综述了近年来原子天线技术的发展趋势,概述了基于里德堡原子的低频电场测量原理,并分析讨论了原子天线在灵敏度、瞬时带宽等关键性能指标方面的提升方案及在未来低频探测领域的潜在应用。

里德伯原子幻零波长

原子极化率反映其对外场的响应特性,动态极化率等于零的外场波长称为零极化或幻零(tune-out)波长.里德伯原子的tune-out波长计算较为困难,本文设计室温气室里德伯原子测量装置,基于调幅电磁感应透明(amplitude modulation electromagnetically induced transparency,AM-EIT)光谱技术实现tune-out波长测量.实验采用双光子级联激发制备铯原子里德伯态,利用阶梯型电磁感应透明(electromagnetically induced transparency,EIT)光谱实现里德伯原子量子态检测;通过微波频率连续扫描测量里德伯原子AM-EIT信号;在tune-out波长处,邻近耦合能级对目标里德伯态的动态极化为零,原子动态Stark效应相消,AM-EIT信号极弱.我们建立简化三能级模型计算tune-out波长,理论与实验结果基本符合.

基于室温里德堡原子天线的宽频带电场测量

利用室温铯原子里德堡态构建原子天线,研究原子天线对30MHz~40GHz频率范围电磁波信号的响应特性。实验中,通过852nm和509nm的双光子激发方案实现里德堡原子的量子态制备,通过阶梯型电磁感应透明光谱实现电磁波信号测量。实验研究了66S_(1/2)、66D_(5/2)、76D_(3/2)里德堡态的宽频电磁波响应特性,研究发现近共振条件下,原子与电磁场通过电偶极共振跃迁耦合,光谱信号较强,系统的测量灵敏度为-110dBm/Hz±2dBm/Hz,线性动态范围为40dB;失谐条件下,原子与电磁场的相互作用主要是AC Stark频移,光谱信号较弱。对于铯原子,66S_(1/2)与66D_(5/2)里德堡态在30GHz附近存在测量不敏感区;76D_(3/2)量子态在30MHz~40GHz范围的偶极共振跃迁分布均匀,实验没有测量到明显的不敏感区。