近期，山西大學(xué)激光光譜研究所賈鎖堂教授和肖連團教授帶領(lǐng)團隊在基于原子體系的微波精密測量研究中取得了突破性進展，相關(guān)研究成果“Atomic superheterodyne receiver based on microwave-dressed Rydberg spectroscopy”于2020年6月1日發(fā)表在Nature Physics (自然·物理學(xué))。論文第一作者為博士研究生景明勇、共同第一作者為胡穎教授，通訊作者為張臨杰教授和肖連團教授，研究人員還包括馬杰教授、張好副教授。

微波測量系統(tǒng)是人類觀察世界的另一只“眼睛”，它通過測量“看不見、摸不著”的微波信號，極大地提升了人類對周邊環(huán)境及宇宙的認(rèn)知水平。利用微波遙感技術(shù)可以測繪人類難以涉足地區(qū)的地形地貌、探索廣袤神秘的宇宙太空。隨著人類對未知世界探索的不斷深入，經(jīng)典微波測量方法在探測靈敏度和測量精確度方面都已經(jīng)無法滿足現(xiàn)實需求。

該校激光光譜研究所團隊創(chuàng)新性地提出了基于里德堡原子體系的微波超外差測量方法，實現(xiàn)了目前國際上最為靈敏的、可溯源至國際標(biāo)準(zhǔn)單位制的微波相敏測量。

經(jīng)典微波測量方法通過微波誘導(dǎo)金屬中自由電子產(chǎn)生有規(guī)律的感應(yīng)電流來提取微波電場的信息。然而金屬中的自由電子具有隨機熱運動特性，仿佛街道上的行人在沿著道路前行的過程中難免出現(xiàn)駐足和隨意走動，自由電子熱運動將在感應(yīng)電流中引入隨機熱噪聲，這是經(jīng)典微波測量方法實現(xiàn)超高靈敏度探測難以突破的瓶頸。

該校團隊提出的基于可控原子體系的微波超外差測量新原理和新技術(shù)從根本上避免了經(jīng)典微波測量方法中自由電子隨機熱噪聲的影響?！拔覀兪褂玫氖侨嗽斓奶厥庠樱蠢锏卤ぴ印＠镁芗す庀到y(tǒng)制備的超大尺寸里德堡原子對外界微波電場異常敏感，因此特別適合進行極微弱微波探測。而可控的原子體系如同在交通法規(guī)約束下街道上的車流，其行為更為有序?！毖芯咳藛T解釋說。待測微波導(dǎo)致數(shù)以億計的里德堡原子量子狀態(tài)發(fā)生同步變化，通過對原子量子狀態(tài)進行光學(xué)非破壞測量可以獲得微波的強度、頻率、相位等信息。這種測量方法可以達(dá)到原子投影噪聲極限靈敏度，理論上遠(yuǎn)優(yōu)于經(jīng)典微波測量方法。

“經(jīng)典方法對微波電場的測量就好比于人眼對環(huán)境亮度的感受。由于觀察者對于環(huán)境亮度的感受不僅取決于觀察者自身視力的好壞，還受到觀察者的主觀判斷的影響，因此對于不同的觀察者，其對絕對亮度的感受具有較大的差異?！毖芯咳藛T解釋道：“經(jīng)典的微波測量方法需要經(jīng)過多次校準(zhǔn)操作來實現(xiàn)微波的絕對值測量，多次校準(zhǔn)過程導(dǎo)致測量不確定度較大，難以實現(xiàn)精確測量?！?/p>

該團隊提出的基于原子體系微波測量系統(tǒng)很好地實現(xiàn)了微波的精確測量。由于原子自身十分穩(wěn)定，原子測量體系僅通過單次校準(zhǔn)過程便可以將微波測量溯源到國際標(biāo)準(zhǔn)單位制，使得其在測量精度上相對于經(jīng)典測量系統(tǒng)具有顯著的優(yōu)勢。

這項工作得到量子光學(xué)與光量子器件國家重點實驗室(山西大學(xué))、極端光學(xué)省部共建協(xié)同創(chuàng)新中心(山西大學(xué))以及國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金重大儀器研制項目和國家優(yōu)秀青年科學(xué)基金項目的支持。