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。團隊史保森、丁冬生課題組實現(xiàn)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。相關成果日前發(fā)表在美國物理協(xié)會（APS）旗下的期刊《應用物理評論》上。

微波測量在通信、導航、雷達以及天文探測領域發(fā)揮著重要作用。里德堡原子具有較大的電偶極矩，能對微弱的電場產(chǎn)生很強的響應，因此可以用作微波傳感器。近年來，該研究方向受到廣泛關注，國外曾有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。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，比如受限于原子系統(tǒng)到達穩(wěn)態(tài)的弛豫時間，可實時接收信號的帶寬通常只有幾兆赫，嚴重影響了該體系的實用化進程。

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(zhì)，將微波頻率梳信號設置為本振信號，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(xiàn)的實時響應范圍為125MHz（兆赫），且有進一步提升的空間。此外，通過利用不同主量子數(shù)的里德堡態(tài)，系統(tǒng)實現(xiàn)了對不同中心頻率下具有1kHz（千赫）調(diào)制帶寬信號的接收。

圖1 (a)原子能級圖。(b)絕對頻率測量的原理圖(c)為實驗裝置圖

圖2 不同里德堡態(tài)（主量子數(shù)n不同）對于不同中心頻率的1kHz帶寬調(diào)制信號的接收演示。

這項研究成果的創(chuàng)新之處，在于利用微波頻率梳拓寬了里德堡原子對微波信號的響應范圍，一定程度上彌補了里德堡原子在微波探測中瞬時帶寬窄的不足，實現(xiàn)在更寬范圍內(nèi)對信號的絕對頻率測量，可以充分發(fā)揮里德堡原子對微波的大響應帶寬和高靈敏度的特性。此外，該方法也可有效接收相位信息，有望應用于微波通信和測量等領域。

中科院量子信息重點實驗室博士研究生張力華為本文的第一作者，丁冬生教授、史保森教授為本文的共同通訊作者。該成果得到了科技部、基金委、中科院、安徽省重大科技專項以及中國科學技術大學的資助。