Nova antena quântica revela um mundo oculto de terahertz

A radiação Terahertz (THz), por fazer parte do espectro eletromagnético, situa-se na fronteira da eletrônica e da óptica, posicionada entre as microondas (usadas, por exemplo, em Wi-Fi) e o infravermelho. Embora tenha um imenso potencial para aplicações que incluem a inspeção de embalagens sem raios X prejudiciais, comunicação 6G de alta velocidade e espectroscopia e imagem de compostos orgânicos, transformar esse potencial em medições precisas e sensíveis tem sido tecnicamente muito difícil. Nos últimos anos, os cientistas fizeram grandes avanços na geração e detecção de radiação terahertz, mas até agora não tinham conseguido medir um pente de frequência nesta região com a precisão necessária.

Pentes de frequência como réguas eletromagnéticas ultraprecisas

Por que isso é tão importante? Os pentes de frequência, que ganharam o Prêmio Nobel em 2005, podem ser imaginados como uma régua incrivelmente precisa feita não de um material sólido, mas de luz ou ondas de rádio. Em vez de marcações milimétricas, há uma sequência de linhas uniformemente espaçadas (“dentes”) em frequências estritamente definidas. Esta “régua eletromagnética” permite aos físicos determinar a frequência de um sinal desconhecido com extraordinária precisão, simplesmente vendo a qual “dente” ele corresponde. Por causa disso, os pentes de frequência atuam como padrões de referência que podem ser usados ​​para calibrar e estabilizar muitos tipos de instrumentos em uma ampla faixa de frequências. Dependendo de onde esta régua está localizada no espectro eletromagnético, os cientistas falam sobre pentes de frequência óptica, de rádio ou terahertz.

Os pentes de frequência Terahertz são particularmente atraentes porque podem suportar calibração e medições altamente precisas em uma banda onde as frequências de oscilação são mais altas do que as ondas de rádio típicas, mas mais baixas do que as ondas ópticas (luz). No entanto, tais pentes são notoriamente difíceis de medir com alta precisão, uma vez que as suas oscilações são demasiado rápidas para a electrónica convencional e não podem ser capturadas directamente com métodos ópticos padrão. Os pesquisadores conseguiram determinar o espaçamento entre os “dentes” do pente e medir a potência total espalhada por todo o espectro, mas determinar quanta potência pertence a um único dente continua sendo um grande desafio.

Átomos de Rydberg transformados em antenas quânticas

Os cientistas da Faculdade de Física e do Centro de Tecnologias Ópticas Quânticas do Centro de Novas Tecnologias da Universidade de Varsóvia ultrapassaram agora este obstáculo e, pela primeira vez, mediram o sinal emitido por um único dente de pente terahertz. Para conseguir isso, eles empregaram um gás de átomos de rubídio preparado no estado de Rydberg. Um átomo de Rydberg é definido como tendo um único elétron excitado para uma órbita muito alta ao ser iluminado com lasers precisamente sintonizados. Este átomo “inchado” atua como uma antena quântica extremamente sensível a campos elétricos externos. Além disso, usando lasers sintonizáveis, o detector pode ser ajustado para responder a uma frequência específica dentro de tal campo, em uma faixa que se estende até ondas terahertz.

Tradicionalmente, na eletrometria de Rydberg, o fenômeno da divisão de Autler-Townes é usado para medir o campo elétrico. Sua grande vantagem é que o resultado da medição depende apenas de constantes atômicas fundamentais, proporcionando uma leitura absolutamente calibrada. Ao contrário das antenas clássicas, que exigem calibração trabalhosa em laboratórios de rádio especializados, o sistema de base atômica é, em certo sentido, um padrão em si mesmo. Além disso, graças à riqueza dos estados de energia no átomo, tal sensor pode ser sintonizado quase continuamente numa gama enorme, desde um sinal de corrente contínua (DC) até ao já mencionado terahertz.

Conversão híbrida de terahertz em luz para extrema sensibilidade

No entanto, este método tem uma limitação: por si só, não é sensível o suficiente para registrar sinais terahertz muito fracos. Para remediar esta situação, a equipa de investigação aplicou adicionalmente uma técnica de conversão de ondas de rádio em luz inventada na Universidade de Varsóvia e adaptou-a às necessidades da radiação terahertz. Neste processo, o sinal fraco de terahertz é convertido em fótons ópticos, que podem então ser detectados com imensa sensibilidade usando contadores de fóton único. Esta abordagem híbrida é a chave do sucesso: combina a extrema sensibilidade da detecção de fótons com a capacidade de “recuperar” as capacidades de calibração do método Autler-Townes, mesmo para os sinais mais fracos.

O sensor baseado em átomos de Rydberg possui todos os recursos necessários para realizar uma calibração precisa do pente de frequência: ele pode ser sintonizado em um único dente do pente e depois reajustado para o próximo e o próximo. Os cientistas conseguiram observar desta forma várias dezenas de dentes numa gama de frequência muito ampla. Além disso, graças ao conhecimento das propriedades fundamentais dos átomos, o pente foi calibrado diretamente, determinando com precisão a sua intensidade.

Novo caminho para metrologia terahertz e tecnologias futuras

Os resultados obtidos pelos físicos da Universidade de Varsóvia Wiktor Krokosz, Jan Nowosielski, Bartosz Kasza, Sebastian Borówka, Mateusz Mazelanik, Wojciech Wasilewski e Michał Parniak representam muito mais do que o desenvolvimento de outro detector sensível. Seu trabalho estabelece as bases para uma nova área da metrologia. Com a ajuda dos átomos de Rydberg, os usos transformadores dos pentes de frequência óptica podem agora ser estendidos para a anteriormente difícil região de terahertz. É importante ressaltar que, ao contrário de muitas tecnologias quânticas que requerem temperaturas extremamente baixas, este sistema funciona à temperatura ambiente, o que reduz enormemente os custos e torna a comercialização futura mais realista. Isto cria uma oportunidade para construir padrões de medição de referência para a próxima geração de tecnologias terahertz.

O projeto “Quantum Optical Technologies” (FENG.02.01-IP.05-0017/23) é implementado no âmbito da Medida 2.1 Agendas Internacionais de Investigação da Fundação para a Ciência Polaca, cofinanciada pela União Europeia a partir da Prioridade 2 do Programa dos Fundos Europeus para a Economia Moderna 2021-2027 (FENG). A investigação é também um dos resultados dos projetos SONATA17 e PRELUDIUM23 financiados pelo Centro Nacional de Ciências.)