近期，山西大学激光光谱研究所贾锁堂教授和肖连团教授带领团队在基于原子体系的微波精密测量研究中取得了突破性进展，在国际上首次实现里德堡原子微波超外差接收机样机，极大提升了微波电场场强的探测灵敏度，微波测量灵敏度达55nV/（cm·Hz1/2），优于之前国际最好水平1000倍，最小可探测微波场强约400pV/cm，优于之前国际最好水平10000倍。
相关研究成果“Atomic superheterodyne receiver based on microwave-dressed Rydberg spectroscopy”于2020年6月1日发表在Nature Physics (自然·物理学)。论文第一作者为博士研究生景明勇、共同第一作者为胡颖教授，通讯作者为张临杰教授和肖连团教授，研究人员还包括马杰教授、张好副教授。
图1：实验装置简图
图2：原子超外差测量方法进行微波电场绝对值测量的实验结果。超高灵敏度的原子超外差测量方法实现了可溯源极微弱微波电场测量。
微波测量系统是人类观察世界的另一只“眼睛”，它通过测量“看不见、摸不着”的微波信号，极大地提升了人类对周边环境及宇宙的认知水平。利用微波遥感技术可以测绘人类难以涉足地区的地形地貌、探索广袤神秘的宇宙太空。随着人类对未知世界探索的不断深入，经典微波测量方法在探测灵敏度和测量精确度方面都已经无法满足现实需求。
该团队创新性地提出了基于里德堡原子体系的微波超外差测量方法，实现了目前国际上最为灵敏的、可溯源至国际标准单位制的微波相敏测量。
经典微波测量方法通过微波诱导金属中自由电子产生有规律的感应电流来提取微波电场的信息。然而金属中的自由电子具有随机热运动特性，仿佛街道上的行人在沿着道路前行的过程中难免出现驻足和随意走动，自由电子热运动将在感应电流中引入随机热噪声，这是经典微波测量方法实现超高灵敏度探测难以突破的瓶颈。
该团队提出的基于可控原子体系的微波超外差测量新原理和新技术从根本上避免了经典微波测量方法中自由电子随机热噪声的影响。“我们使用的是人造的特殊原子，即里德堡原子。利用精密激光系统制备的超大尺寸里德堡原子对外界微波电场异常敏感，因此特别适合进行极微弱微波探测。而可控的原子体系如同在交通法规约束下街道上的车流，其行为更为有序。”研究人员解释说。待测微波导致数以亿计的里德堡原子量子状态发生同步变化，通过对原子量子状态进行光学非破坏测量可以获得微波的强度、频率、相位等信息。这种测量方法可以达到原子投影噪声极限灵敏度，理论上远优于经典微波测量方法。
“经典方法对微波电场的测量就好比于人眼对环境亮度的感受。由于观察者对于环境亮度的感受不仅取决于观察者自身视力的好坏，还受到观察者的主观判断的影响，因此对于不同的观察者，其对绝对亮度的感受具有较大的差异。”研究人员解释道：“经典的微波测量方法需要经过多次校准操作来实现微波的绝对值测量，多次校准过程导致测量不确定度较大，难以实现精确测量。”
该团队提出的基于原子体系微波测量系统很好地实现了微波的精确测量。由于原子自身十分稳定，原子测量体系仅通过单次校准过程便可以将微波测量溯源到国际标准单位制，使得其在测量精度上相对于经典测量系统具有显著的优势。
这项工作得到量子光学与光量子器件国家重点实验室(山西大学)、极端光学省部共建协同创新中心(山西大学)以及国家重点研发计划、国家自然科学基金重大仪器研制项目和国家优秀青年科学基金项目的支持。
研究成果原文阅读链接：
https://www.nature.com/articles/s41567-020-0918-5
来源：山西大学激光光谱研究所
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