中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)郭光燦院士團(tuán)隊在基于里德堡原子的低頻射頻電場測量上取得重要進(jìn)展。該團(tuán)隊史保森、丁冬生課題組利用非共振外差方法實現(xiàn)了基于里德堡原子的低頻射頻電場精密探測，相關(guān)成果以“Highly sensitive measurement of a MHz RF electric field with a Rydberg atom sensor”為題發(fā)表在國際應(yīng)用物理期刊《Physical Review Applied》上。

里德堡原子由于其較大的電偶極矩和極化率等獨特性質(zhì)，在微波測量領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大應(yīng)用潛力?；诶锏卤ぴ拥牧孔觽鞲衅髟跍y量精度﹑抗干擾性以及可朔源等方面有望超越傳統(tǒng)微波接收系統(tǒng)，因此該研究方向受到廣泛關(guān)注，例如：美國陸軍研究室、桑迪亞國家實驗室等開展了相關(guān)研究，并取得了重要進(jìn)展[Physical Review Applied 13, 054034 (2020)，Physical Review Applied 15, 014047 (2021)]。盡管里德堡原子傳感器在GHz高頻微波頻段探測取得了重要進(jìn)展，但在MHz附近的低頻波段卻遇到困難，測量靈敏度較低，其主要原因在于低頻電場與里德堡原子之間的耦合是一種弱的非共振相互作用，受限于光譜測量分辨率，人們難以測量微弱微波電場造成的擾動，這就限制了里德堡原子微波測量向低頻波段的擴(kuò)展。

在本工作中，研究團(tuán)隊基于AC Stark效應(yīng)和非共振外差技術(shù)，通過引入一個本地振蕩電場來放大系統(tǒng)對微弱信號電場的響應(yīng)，最后通過測量探測光的電磁誘導(dǎo)透明光譜得到信號電場的強度。研究團(tuán)隊實現(xiàn)了對30-MHz微波電場(波長近10米)的高靈敏度測量，最小電場強度為37.3µV/cm，靈敏度為−65 dBm/Hz，動態(tài)范圍超過65 dB。此外，研究團(tuán)隊還演示了1 kHz振幅調(diào)制（AM）信號的傳輸和接收：通過對探測光束信號進(jìn)行解調(diào)，并分別方波和正弦波調(diào)制下提取初始調(diào)制信息，保真度均達(dá)到98%。

圖1 (a)里德堡態(tài)激發(fā) (b)傳感器示意圖

圖2 (a)系統(tǒng)靈敏度 (b)和(c)AM解調(diào)信號演示

這項工作提高了MHz電場的原子傳感器靈敏度，有助于原子電場傳感技術(shù)的發(fā)展。該工作對里德堡原子傳感器的在其他領(lǐng)域的應(yīng)用，如遠(yuǎn)程通信、超視距雷達(dá)和射頻識別（RFID）也有參考價值。

中科院量子信息重點實驗室碩士研究生劉邦為本文的第一作者，丁冬生教授、史保森教授為本文的共同通訊作者。該成果得到了科技部、基金委、中科院、安徽省重大科技專項以及中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)的資助。

文章鏈接：https://journals.aps.org/prapplied/abstract/10.1103/PhysRevApplied.18.014045