Квантовые сенсоры электрических полей на основе высоковозбуждённых ридберговских атомов

Дан краткий обзор текущих мировых исследований в области создания квантовых сенсоров постоянных и радиочастотных электрических полей на основе высоковозбуждённых ридберговских атомов с главным квантовым числом n ≫ 1. Такие атомы обладают больши ́ми дипольными моментами, которые растут как n² с увеличением n. Благодаря этому электрические поляризуемости ридберговских уровней растут как n⁷ и на много порядков превышают поляризуемости атомов в низковозбуждённых состояниях. Это и является основой для создания высокочувствительных квантовых сенсоров.Для их реализации атомы щелочных металлов в малогабаритных оптических ячейках возбуждаются в ридберговские состояния. Для регистрации микроволнового излучения с частотой свыше 1 ГГц используется измерение расщепления одиночного резонанса электромагнитно-индуцированной прозрачности (возникающего при двухфотонном лазерном возбуждении ридберговского состояния) на два резонанса за счёт эффекта Аутлера—Таунса в поле микроволнового излучения. На основе ридберговских сенсоров могут быть построены как метрологические стандарты измерителей напряжённости электрического поля, так и высокочувствительные детекторы радиочастотных полей для различных применений. В статье также представлены наши первые экспериментальные результаты по наблюдению резонансов электромагнитно-индуцированной прозрачности при двухфотонном лазерном возбуждении 5S_1/2 → 5P_3/2 → nS_1/2 ридберговских состояний атомов ⁸⁵Rb в оптической ячейке и наблюдению расщепления Аутлера—Таунса в поле микроволнового излучения с частотой 58,17 ГГц, резонансного переходу 41S_1/2 → 41P_3/2 между соседними ридберговскими состояниями.

На английском языке

Quantum sensors of electric fields based on highly excited rydberg atoms

Ryabtsev I.I., Entin V.M., Tretyakov D.B., Yakshina E.A., Beterov I.I. and Pechersky Yu.Ya.

We give a brief review of the current status of world research in the field of creating quantum sensors of DC and RF electric fields based on highly excited Rydberg atoms with principal quantum number n ≫ 1. Such atoms have large dipole moments, which increase as n² with increasing n. Due to this fact, electric polarizabilities of Rydberg levels increase as n⁷ and exceed the polarizabilities of low-excited atoms by many orders of magnitude. This forms the basis for creating highly sensitive quantum sensors. For their implementation, alkali–metal atoms in compact optical vapor cells are excited to Rydberg states. When microwave radiation with a frequency above 1 GHz should be detected, splitting of a single resonance of electromagnetically induced transparency (EIT), which appears under two-photon laser excitation of Rydberg states, into two resonances due to the Autler–Townes (AT) effect in a microwave radiation field is measured. With Rydberg sensors, it is possible to construct both metrological standards for measuring electric field strength and highly sensitive detectors of RF fields for various applications. Our first experimental results on the observation of EIT resonances under two-photon laser excitation 5S_1/2 → 5P_3/2 → nS_1/2 of ⁸⁵Rb Rydberg states in an optical cell and on the observation of AT splitting in the field of microwave radiation with a frequency of 58.17 GHz, which was in resonance with 41S_1/2 → 41P_3/2 transitions between adjacent Rydberg states, are also presented.

DOI: https://doi.org/10.52452/00213462_2024_67_01_1

Пример ссылки для цитирования:

Рябцев И.И., Энтин В.М., Третьяков Д.Б., Якшина Е.А., Бетеров И.И., Печерский Ю.Я. Квантовые сенсоры электрических полей на основе высоковозбуждённых ридберговских атомов // Изв. вузов. Радиофизика. 2024. Т. 67, № 1. C. 1–14.