Badacze z Wydziału Fizyki, Centrum Nowych Technologii oraz Centrum Optycznych Technologii Kwantowych UW opracowali nowy rodzaj całkowicie optycznego odbiornika radiowego, który opiera się na fundamentalnych własnościach atomów rydbergowskich. Wyniki prac, w których wzięli udział prof. Wojciech Wasilewski, dr hab. Michał Parniak, dr Mateusz Mazelanik i Sebastian Borówka, zostały opublikowane w czasopiśmie „Nature Communications”. Badania otwierają nowe możliwości w zakresie technologicznego wdrażania sensorów kwantowych.

Nowy rodzaj odbiornika jest nie tylko niezwykle czuły, ale zapewnia też wewnętrzną kalibrację, a sama antena zasilana jest jedynie światłem laserowym.

Zsynchronizowane atomy

Do odbierania transmisji radiowych powszechnie używane są anteny metalowe, które przekierowują energię nadchodzących fal do odbiornika. Absorpcja energii umożliwia elektroniczny pomiar amplitudy i fazy fal. Takiego pomiaru dokonuje się współcześnie poprzez przemianę (mieszanie) częstotliwości. Sygnał elektryczny z anteny, który drga miliardy razy na sekundę (z częstotliwością gigahercową), jest kierowany do tzw. mieszaczy, które umożliwiają demodulację – przeniesienie amplitudy i fazy bardzo szybkich drgań na sygnały o mniejszej częstotliwości, drgające już tylko miliony razy na sekundę (z częstotliwością megahercową).

Jak wskazują badacze, w eksperymentach zastąpili antenę i elektroniczny mieszacz nowym medium – rodzajem sztucznej zorzy polarnej. W szklanej, dokładnie opróżnionej z powietrza komórce, umieszczono opiłek rubidu, z którego uwalniają się i wyfruwają do wnętrza bańki atomy. Każdy atom rubidu ma jeden dość swobodny elektron, któremu narzucono skomplikowaną „choreografię tańca” wokół jądra i rdzenia złożonego z pozostałych 36 elektronów. Rolę muzyki w tym „tańcu” odgrywają trzy różne lasery. Ich „takt” drgań jest ultraprecyzyjnie stabilizowany do możliwych częstotliwości wirowania elektronów w atomach rubidu, określonych instrumentarium praw mechaniki kwantowej. Elektronom zagrano taką „melodię”, aby spędziły wybrane części „taktów laserowego tańca” na bardzo odległej orbicie – w tzw. stanach rydbergowskich. Na tych orbitach ich trajektoria bardzo łatwo zakrzywia się pod wpływem mikrofal. Konkretnie pod wpływem tych fal radiowych, które zgodne są co do „rytmu” z granym „laserowym tańcem”. Każdy elektron w stanie rydbergowskim – wyniesiony na wysoką orbitę – nie może jednak przebywać tam dowolnie długo i ostatecznie musi spaść niczym satelita wyłączony z użytku. Elektrony odchylone falami radiowymi spadają inną trajektorią i emitują promieniowanie podczerwone inne niż użyte lasery, dzięki czemu łatwo je zarejestrować. Co najważniejsze, faza mikrofal odwzorowuje się w fazie emitowanej podczerwieni: jeśli fale radiowe „uderzały” wcześniej w ramach ustalonego „taktu”, to także elektrony spadają nieco wcześniej i wcześniej emitują promieniowanie.

Wyzwaniem, które rozwiązano w badaniach, było zbudowanie układu do precyzyjnie miarowego „dyrygowania laserami” i „tańcem” elektronów, tak aby „rytm” ruchu elektronów nigdy nie zwalniał ani nie przyspieszał w niekontrolowany sposób. W tym celu użyto szeregu „metronomów”. Dla każdego lasera skonstruowano specjalną próżniową rurkę zakończoną bardzo dobrymi lustrami, w której światło odbija się kilka tysięcy razy. Taka rurka, zwana wnęką optyczną, niczym „organowa piszczałka” albo „struna skrzypiec”, wybiera wyłącznie drgania o określonej częstotliwości. W wykorzystanych tutaj rurkach drgają naraz dwa pola – stabilizowanego lasera oraz lasera wzorcowego, którego częstotliwość jest precyzyjnie elektronicznie uzgodniona z okresem najniższej orbity, po jakiej elektrony mogą obiegać jądro i rdzeń rubidu. Ponadto wykorzystano specjalny kryształ do mieszania częstotliwości, aby wytworzyć referencyjne promieniowanie podczerwone z użytych laserów. Kryształ nie jest czuły na mikrofale, dlatego też podczerwień, którą emituje, ma nieco inną częstotliwość niż ta, którą emitują atomy rubidu. Praktyczny pomiar wymaga użycia dodatkowego lasera wzorcowego, względem którego zmierzono podczerwień wyemitowaną z atomów, oraz referencyjną podczerwień z kryształu mieszającego. Taki względny pomiar – optyczna heterodyna – umożliwia uzyskanie amplitudy i fazy badanych pól. Z kolei z nich można bezpośrednio obliczyć amplitudę i fazę odbieranych mikrofal.

W sercu zaprezentowanych eksperymentów, czyli w komórce z rubidem, nie ma metalowych, przewodzących prąd i silnie zaburzających fale radiowe elementów. Wszystko, czego potrzeba do konwersji fal radiowych na podczerwień, to opary rubidu, szczelna obudowa i lasery. W przyszłości detektor będzie mógł mieć postać zaledwie zgrubienia na światłowodzie, przy pomocy którego dostarczone zostaną wszystkie potrzebne lasery, jak również odebrane promieniowanie podczerwone, wysyłane w przeciwnym kierunku w światłowodzie. Ostateczne pomiary i korekcja będą przeprowadzone nawet kilkadziesiąt metrów z dala od pól radiowych, dzięki czemu możliwe będzie dyskretne, nieinwazyjne mierzenie i odbieranie pola radiowego.

Wynalazek ten może otworzyć nowe możliwości w zakresie stosowania technik precyzyjnej kalibracji pól mikrofalowych. Dzięki nieinwazyjnym pomiarom możliwe będzie zarejestrowanie słabych pól bez ich jednoczesnego zaburzania metalową anteną.

Badania nad atomami rydbergowskimi

Naukowcy z Wydziału Fizyki UW i Centrum Nowych Technologii UW pracujący w Centrum Optycznych Technologii Kwantowych UW od kilku lat zajmują się projektowaniem i demonstrowaniem w praktyce nowych protokołów wykrywania pól mikrofalowych z wykorzystaniem atomów rydbergowskich. Zespół pracuje nad przesunięciem i znoszeniem technicznych barier oraz opracowaniem nowych metod detekcji oferowanych przez te urządzenia. Naukowcy współuczestniczą w poszukiwaniu zastosowań dla tej nowej technologii, wskazując na łatwość kalibracji, wysoką czułość i dokładność pomiarów oraz perspektywę miniaturyzacji urządzeń. Od początku 2025 roku zespół pod kierownictwem dr. hab. Michała Parniaka komercjalizuje tę technologię w projekcie wykonywanym na zlecenie Europejskiej Agencji Kosmicznej.

Projekt Optyczne Technologie Kwantowe (FENG.02.01-IP.05-0017/23) jest realizowany w ramach działania 2.1 Międzynarodowe Agendy Badawcze Fundacji na rzecz Nauki Polskiej współfinansowanego przez Unię Europejską ze środków 2. Priorytetu Programu Fundusze Europejskie dla Nowoczesnej Gospodarki 2021–2027 (FENG).

 

 

Badania są też jednym z centralnych wyników projektu SONATA17 finansowanego ze środków Narodowego Centrum Nauki.