Tarkkuutta terahertsiseen mittaustekniikkaan

Historiallisesti terahertsialue on yksi sähkömagneettisen spektrin vähiten tutkituista osista tehokkaiden lähteiden ja ilmaisimien puutteen vuoksi. Fotoniikan, puolijohdeteknologioiden ja materiaalitieteen nopea kehitys on kuitenkin nostanut THz-teknologiat modernin tutkimuksen eturintamaan.

Varsovan yliopiston fysiikan tiedekunnan ja kvanttioptisten teknologioiden keskuksen tutkijatiimi on kehittänyt uuden menetelmän vaikeasti havaittavien terahertsisignaalien mittaamiseksi "kvanttiantennia" käyttäen.

Työn tekijät käyttivät uudenlaista Rydberg-atomeilla toimivaa radioaaltojen havaitsemiseen tarkoitettua sekä kalibroidakseen tarkasti taajuuskampaa terahertsikaistalla. Nyt tutkittu ratkaisu tasoittaa tietä ultraherkälle spektroskopialle ja uuden sukupolven huoneenlämmössä toimiville kvanttiantureille.

Terahertsialueen taajuuskammat ovat erityisen mielenkiintoisia, koska ne mahdollistaisivat kalibroinnin ja siten tarkemmat mittaukset taajuusalueella, joka on huomattavasti korkeampi kuin radioaallot, mutta matalampi kuin optiset aallot. Tämän tyyppistä kampaa on kuitenkin vaikea mitata tarkasti – se on liian nopea nykyaikaiselle elektroniikalle, eikä sitä voida tallentaa optisilla menetelmillä.

Vaikka kamman hampaiden välinen etäisyys voidaan määrittää ja spektrin yli säteilevä kokonaisteho mitata, yksittäisen hampaan tehon osuuden määrittäminen on ollut haastavaa.

Varsovan yliopiston tutkijat onnistuivat ylittämään tämän rajoituksen ja mittasivat ensimmäistä kertaa yksittäisen terahertsisen kamman piikin lähettämän signaalin. Tätä varten he käyttivät Rydbergin tilassa olevaa rubidiumatomien kaasua.

Rydbergin atomi määritellään atomiksi, jonka yksi elektroni on viritetty erittäin korkealle kiertoradalle valaisemalla sitä tarkasti viritetyillä lasereilla. Tästä "turvonneesta" atomista tulee kvanttiantenni, joka on erittäin herkkä ulkoisille sähkökentille. Lisäksi viritettävien lasereiden avulla se voidaan sitten virittää tällaisen kentän tietylle taajuudelle, joka ulottuu jopa terahertsiaaltojen tasolle.

Toisin kuin klassiset antennit, jotka vaativat työlästä kalibrointia erikoistuneissa radiolaboratorioissa, atomipohjainen järjestelmä on tavallaan oma standardinsa. Lisäksi atomin runsaan energiatilojen ansiosta tällaista anturia voidaan virittää lähes jatkuvasti valtavalla alueella – tasavirtasignaalista terahertsihin asti.

Tällä hybridillä ilmaisumenetelmällä on kuitenkin rajoituksensa: se ei yksinään ole riittävän herkkä tallentamaan erittäin heikkoja terahertsisignaaleja. Tämän korjaamiseksi tutkimusryhmä sovelsi lisäksi Varsovan yliopistossa keksittyä radioaaltojen valoksi muuntamisen tekniikkaa ja mukautti sen terahertsisäteilyn tarpeisiin. Tässä prosessissa heikko terahertsisignaali muunnetaan optisiksi fotoneiksi, jotka voidaan sitten havaita erittäin herkästi yksittäisten fotonien laskureilla.

Rydbergin atomeihin perustuvalla anturilla on kaikki tarvittavat ominaisuudet taajuuskampakalibroinnin suorittamiseen: se voidaan virittää kamman yhteen piikkiin ja sitten uudelleen seuraavaan, ja sitä seuraavaan. Tutkijat onnistuivat tällä tavoin havaitsemaan useita kymmeniä piikkejä erittäin laajalla taajuusalueella. Lisäksi atomien perusominaisuuksien tuntemuksen ansiosta kampa kalibroitiin suoraan, jolloin sen intensiteetti määritettiin tarkasti.

Aiheesta aiemmin:

Kvanttinen radioantenni on hiljainen  

Uusi atomipohjainen lämpötilamittaus on tarkempi

Kvanttianturi kattaa koko radiotaajuusspektrin