Uma equipe de pesquisa do Centro de Tecnologia de Óptica Quântica da Faculdade de Física e Centro de Novas Tecnologias da Universidade de Varsóvia lançou um novo método de medição de sinais terahertz difíceis de detectar usando “antenas quânticas”. Em seu trabalho, os cientistas aplicaram um inovador dispositivo de detecção de ondas de rádio baseado em átomos de Rydberg, que não apenas detecta a radiação terahertz, mas também permite a calibração precisa de um chamado pente de frequência nesta parte do espectro. Até recentemente, a faixa dos terahertz era considerada um espaço em branco no espectro eletromagnético. O método relatado na revista Óptico Abrindo a porta para espectroscopia extremamente sensível e novos sensores quânticos em temperatura ambiente.
A radiação Terahertz (THz) faz parte do espectro eletromagnético que fica na fronteira entre a eletrônica e a óptica, entre as microondas (usadas, por exemplo, em Wi-Fi) e os raios infravermelhos. Embora tenha grande potencial em aplicações como inspeção de embalagens sem raios X prejudiciais, comunicações 6G de ultra-alta velocidade e espectroscopia e imagem de compostos orgânicos, converter esse potencial em medições precisas e sensíveis é tecnicamente difícil. Nos últimos anos, os cientistas fizeram progressos significativos na geração e detecção da radiação terahertz, mas até agora não foram capazes de medir pentes de frequência nesta região com a precisão necessária.
Pente de frequência como régua eletromagnética de ultraprecisão
Por que isso é tão importante? O pente de frequência que ganhou o Prêmio Nobel de 2005 pode ser considerado uma régua extremamente precisa, feita não de um material sólido, mas de ondas de luz ou de rádio. Não marcas milimétricas, mas uma série de linhas uniformemente espaçadas (“dentes”) que definem estritamente a frequência. Esta “régua eletromagnética” permite aos físicos determinar a frequência de um sinal desconhecido com grande precisão, simplesmente observando quais “dentes” ele corresponde. Portanto, os pentes de frequência servem como padrões de referência que podem ser usados para calibrar e estabilizar muitos tipos de instrumentos em uma ampla faixa de frequência. Dependendo de onde esta régua se enquadra 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 de alta precisão em bandas de frequência com frequências de oscilação superiores às ondas de rádio típicas, mas inferiores às ondas luminosas (luz). No entanto, tais pentes são notoriamente difíceis de medir com alta precisão porque 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 distribuição total de potência em todo o espectro, mas determinar quanta potência um único dente possui continua sendo um desafio significativo.
Átomos de Rydberg tornam-se antenas quânticas
Cientistas do Centro de Tecnologia de Óptica Quântica, Faculdade de Física e Centro de Novas Tecnologias da Universidade de Varsóvia, superaram agora este obstáculo e mediram pela primeira vez o sinal emitido por um único dente de pente terahertz. Para conseguir isso, eles usaram um gás de átomos de rubídio preparado no estado de Rydberg. Os átomos de Rydberg são definidos pela excitação de um único elétron em uma órbita muito alta por irradiação laser precisamente sintonizada. Esses átomos “expandidos” atuam como antenas quânticas que são extremamente sensíveis a campos elétricos externos. Além disso, usando lasers sintonizáveis, o detector pode ser ajustado para responder a uma frequência específica dentro do campo, variando até ondas terahertz.
Tradicionalmente, nas medições eletrostáticas de Rydberg, o fenômeno de divisão de Ottler-Townes é usado para medir o campo elétrico. A grande vantagem é que os resultados das medições dependem apenas de constantes atômicas fundamentais, proporcionando leituras absolutamente calibradas. Ao contrário das antenas tradicionais, que requerem calibração tediosa em laboratórios de rádio especializados, o sistema baseado em átomos é, em certo sentido, um padrão por si só. Além disso, devido à riqueza dos estados de energia nos átomos, tais sensores podem ser sintonizados quase continuamente em uma ampla faixa, desde sinais de corrente contínua (DC) até os já mencionados terahertz.
A conversão de luz terahertz híbrida permite uma sensibilidade extremamente alta
No entanto, este método tem uma limitação: não é inerentemente sensível o suficiente para registrar sinais terahertz muito fracos. Para resolver este problema, a equipa de investigação também aplicou a tecnologia de conversão de luz em ondas de rádio inventada pela Universidade de Varsóvia e adaptou-a às necessidades da radiação terahertz. Durante este processo, sinais fracos de terahertz são convertidos em fótons ópticos, que podem então ser detectados com sensibilidade extremamente alta usando contadores de fóton único. Esta abordagem híbrida é a chave para o sucesso: ela combina a sensibilidade extremamente alta da detecção de fótons com a capacidade de calibração do método Autler-Townes para “recuperar” mesmo os sinais mais fracos.
O sensor baseado em átomo Rydberg possui todos os recursos necessários para realizar uma calibração precisa do pente de frequência: ele pode sintonizar um único dente do pente de frequência, depois reajustar para o próximo e depois para o próximo. Os cientistas conseguiram observar desta forma dezenas de dentes em uma ampla faixa de frequências. Além disso, conhecer as propriedades fundamentais dos átomos permite que o pente seja calibrado diretamente para determinar com precisão a sua resistência.
Metrologia Terahertz e novos caminhos para tecnologias futuras
Os resultados obtidos pelos físicos Wiktor Krokosz, Jan Nowosielski, Bartosz Kasza, Sebastian Borówka, Mateusz Mazelanik, Wojciech Wasilewski e Michał Parniak da Universidade de Varsóvia representam mais do que apenas o desenvolvimento de outro detector sensível. Seu trabalho lançou as bases para o novo campo da metrologia. Com a ajuda dos átomos de Rydberg, o uso transformador de pentes de frequência óptica pode agora ser estendido à anteriormente difícil região de terahertz. É importante ressaltar que, ao contrário de muitas tecnologias quânticas que exigem temperaturas extremamente baixas, este sistema opera à temperatura ambiente, o que reduz significativamente os custos e torna a comercialização futura mais realista. Isto cria a oportunidade de estabelecer padrões de medição de referência para tecnologias terahertz de próxima geração.
O projeto “Quantum Optical Technologies” (FENG.02.01-IP.05-0017/23) é implementado como parte da Medida 2.1 da Agenda Internacional de Pesquisa da Fundação Polonesa para a Ciência e é cofinanciado pela União Europeia a partir da Prioridade 2 do Programa do Fundo para Economias Europeias Modernas (FENG) 2021-2027. Esta pesquisa também é um dos resultados dos projetos SONATA17 e PRELUDIUM23 financiados pelo National Science Center. )
