آنتن کوانتومی جدید، دنیای پنهان تراهرتز را آشکار میکند
رکنا: یک تیم پژوهشی از دانشکده فیزیک و مرکز فناوریهای اپتیک کوانتومی در مرکز فناوریهای نوین دانشگاه ورشو، روش تازهای برای اندازهگیری سیگنالهای تراهرتز که آشکارسازی آنها دشوار است، با استفاده از «آنتن کوانتومی» معرفی کردهاند. در این پژوهش، دانشمندان از یک سامانه نوآورانه آشکارسازی امواج رادیویی مبتنی بر اتمهای ریدبرگ بهره بردند که نهتنها تابش تراهرتز را حس میکند، بلکه یک «شانه فرکانسی» را در این بخش از طیف نیز با دقت کالیبره میکند. تا همین اواخر، محدوده تراهرتز بهعنوان ناحیهای خالی در طیف الکترومغناطیسی تلقی میشد و روشی که در نشریه Optica گزارش شده، راه را برای طیفسنجی فوقحساس و نسل جدیدی از حسگرهای کوانتومی در دمای اتاق هموار میکند.
به گزارش گروه ترجمه رکنا به نقل از نیوساینتیست، تابش تراهرتز (THz) که بخشی از طیف الکترومغناطیسی است، در مرز میان الکترونیک و اپتیک قرار دارد و بین امواج مایکروویو (برای مثال مورد استفاده در وایفای) و فروسرخ واقع شده است. با وجود ظرفیت گسترده این محدوده برای کاربردهایی همچون بازرسی بستهها بدون استفاده از اشعه ایکس مضر، ارتباطات فوقسریع نسل 6G، و طیفسنجی و تصویربرداری از ترکیبات آلی، تبدیل این ظرفیت به اندازهگیریهای دقیق و حساس از نظر فنی بسیار دشوار بوده است. در سالهای اخیر، پیشرفتهای مهمی در تولید و آشکارسازی تابش تراهرتز حاصل شده، اما تاکنون امکان اندازهگیری یک شانه فرکانسی در این محدوده با دقت مورد نیاز فراهم نشده بود.
شانههای فرکانسی بهعنوان خطکشهای فوقدقیق الکترومغناطیسی
چرا این موضوع اهمیت دارد؟ شانههای فرکانسی که در سال ۲۰۰۵ جایزه نوبل را به ارمغان آوردند، را میتوان همچون خطکشی فوقالعاده دقیق تصور کرد که نه از ماده جامد، بلکه از نور یا امواج رادیویی ساخته شده است. بهجای درجهبندیهای میلیمتری، توالیای از خطوط همفاصله («دندانهها») در فرکانسهای کاملاً مشخص وجود دارد. این «خطکش الکترومغناطیسی» به فیزیکدانان امکان میدهد فرکانس یک سیگنال ناشناخته را با دقتی خارقالعاده، تنها با تطبیق آن با یکی از این «دندانهها» تعیین کنند. از اینرو، شانههای فرکانسی بهعنوان استانداردهای مرجع برای کالیبراسیون و پایدارسازی انواع ابزارها در گستره وسیعی از فرکانسها به کار میروند. بسته به اینکه این خطکش در کدام بخش از طیف الکترومغناطیسی قرار داشته باشد، از شانههای فرکانسی نوری، رادیویی یا تراهرتز سخن گفته میشود.
شانههای فرکانسی تراهرتز بهطور ویژه جذاب هستند، زیرا امکان کالیبراسیون و اندازهگیریهای بسیار دقیق را در محدودهای فراهم میکنند که فرکانس نوسان آن بالاتر از امواج رادیویی معمولی و پایینتر از امواج نوری است. با این حال، اندازهگیری دقیق این شانهها بهشدت دشوار است، زیرا نوسانات آنها برای الکترونیک متعارف بیش از حد سریع بوده و با روشهای استاندارد نوری نیز بهطور مستقیم قابل ثبت نیستند. پژوهشگران تاکنون توانستهاند فاصله میان «دندانههای» شانه را تعیین کنند و توان کلی توزیعشده در طیف را اندازه بگیرند، اما تعیین میزان توان مربوط به یک دندانه منفرد همچنان چالشی اساسی باقی مانده بود.
تبدیل اتمهای ریدبرگ به آنتنهای کوانتومی
دانشمندان دانشکده فیزیک و مرکز فناوریهای اپتیک کوانتومی در مرکز فناوریهای نوین دانشگاه ورشو اکنون بر این مانع غلبه کرده و برای نخستین بار سیگنال منتشرشده از یک دندانه منفرد شانه تراهرتز را اندازهگیری کردهاند. برای دستیابی به این هدف، آنها از گاز اتمهای روبیدیوم که در حالت ریدبرگ آماده شده بودند استفاده کردند. اتم ریدبرگ به اتمی گفته میشود که یک الکترون آن با تابش لیزرهای دقیق تنظیمشده به مدار بسیار بالایی برانگیخته شده است. این اتم «متورمشده» همچون یک آنتن کوانتومی عمل میکند که نسبت به میدانهای الکتریکی خارجی فوقالعاده حساس است. افزون بر این، با استفاده از لیزرهای قابل تنظیم، آشکارساز را میتوان برای پاسخگویی به یک فرکانس مشخص در چنین میدانی، در گسترهای تا امواج تراهرتز، تنظیم کرد.
بهطور سنتی در الکترومتری ریدبرگ، از پدیده شکافت اتلر–تاونز برای اندازهگیری میدان الکتریکی استفاده میشود. مزیت بزرگ این روش آن است که نتیجه اندازهگیری تنها به ثابتهای بنیادی اتمی وابسته است و در نتیجه خوانشی کاملاً کالیبرهشده ارائه میدهد. برخلاف آنتنهای کلاسیک که به کالیبراسیون زمانبر در آزمایشگاههای تخصصی رادیویی نیاز دارند، سامانه مبتنی بر اتم در واقع خود بهنوعی یک استاندارد محسوب میشود. افزون بر این، بهواسطه تنوع حالتهای انرژی در اتم، چنین حسگری را میتوان تقریباً بهطور پیوسته در دامنهای عظیم، از سیگنال جریان مستقیم (DC) تا امواج تراهرتز یادشده، تنظیم کرد.
تبدیل هیبریدی تراهرتز به نور برای حساسیت فوقالعاده
با این حال، این روش بهتنهایی برای ثبت سیگنالهای بسیار ضعیف تراهرتز حساسیت کافی ندارد. برای رفع این محدودیت، تیم پژوهشی علاوه بر آن، از تکنیک تبدیل امواج رادیویی به نور که در دانشگاه ورشو ابداع شده و برای نیازهای تابش تراهرتز سازگار شده است، استفاده کرد. در این فرآیند، سیگنال ضعیف تراهرتز به فوتونهای نوری تبدیل میشود که سپس میتوان آنها را با حساسیت بسیار بالا بهوسیله شمارندههای تکفوتونی آشکارسازی کرد. این رویکرد هیبریدی کلید موفقیت محسوب میشود، زیرا حساسیت فوقالعاده آشکارسازی فوتون را با امکان «بازیابی» قابلیتهای کالیبراسیون روش اتلر–تاونز حتی برای ضعیفترین سیگنالها ترکیب میکند.
حسگر مبتنی بر اتمهای ریدبرگ تمامی ویژگیهای لازم برای انجام کالیبراسیون دقیق شانه فرکانسی را در اختیار دارد: میتوان آن را روی یک دندانه از شانه تنظیم کرد و سپس بهترتیب روی دندانه بعدی و بعدی تنظیم مجدد نمود. دانشمندان به این شیوه موفق شدند چندین ده دندانه را در گستره فرکانسی بسیار وسیعی مشاهده کنند. افزون بر این، بهدلیل آگاهی از ویژگیهای بنیادی اتمها، شانه بهطور مستقیم کالیبره شد و شدت آن با دقت تعیین گردید.
مسیری نو برای مترولوژی تراهرتز و فناوریهای آینده
نتایج بهدستآمده توسط فیزیکدانان دانشگاه ورشو، ویکتور کروکوش، یان نووسلسکی، بارتوش کاشیا، سباستیان بورووکا، ماتئوش مازلانیک، وویچخ واسیلوفسکی و میخاو پارنیاک، بسیار فراتر از توسعه یک آشکارساز حساس دیگر است. این پژوهش بنیانگذار حوزهای نو در علم اندازهگیری (مترولوژی) به شمار میرود. با کمک اتمهای ریدبرگ، کاربردهای تحولآفرین شانههای فرکانسی نوری اکنون میتواند به محدوده دشوار تراهرتز گسترش یابد. نکته مهم آنکه برخلاف بسیاری از فناوریهای کوانتومی که به دماهای بسیار پایین نیاز دارند، این سامانه در دمای اتاق عمل میکند؛ امری که هزینهها را بهطور چشمگیری کاهش داده و امکان تجاریسازی در آینده را واقعبینانهتر میسازد. این دستاورد فرصت ایجاد استانداردهای مرجع اندازهگیری برای نسل آینده فناوریهای تراهرتز را فراهم میکند.
پروژه «فناوریهای اپتیک کوانتومی» (FENG.02.01-IP.05-0017/23) در چارچوب اقدام 2.1 دستورکارهای پژوهشی بینالمللی بنیاد علوم لهستان اجرا میشود و از سوی اتحادیه اروپا در قالب اولویت 2 برنامه صندوقهای اروپایی برای اقتصاد مدرن 2021-2027 (FENG) تأمین مالی شده است. این پژوهش همچنین یکی از نتایج پروژههای SONATA17 و PRELUDIUM23 است که توسط مرکز ملی علوم تأمین مالی شدهاند.
ارسال نظر