Ультраширокополосный непрерывный спектрный сверхгетеродинный приёмник на ридберговских атомах с высокой чувствительностью

Слушая слабые сигналы по всему радиоспектру

Беспроводные технологии — от смартфонов до радаров и спутниковых каналов — опираются на микроволны, шепчущие в эфире. Точное обнаружение этих сигналов — особенно когда они чрезвычайно слабы и распределены по многочисленным частотам — имеет решающее значение для навигации, астрономии, связи и электронной разведки. В этой работе представлен новый тип «уха» для микроволн на основе облаков сильно возбуждённых атомов, который может непрерывно слушать в диапазоне от 1 до 40 гигагерц с впечатляющей чувствительностью, потенциально меняя наши представления о том, как измерять и мониторить невидимый радиомир вокруг нас.

Почему атомы — исключительные антенны

Традиционные приёмники микроволн используют металлические антенны и электронные цепи, чьи характеристики в конечном счёте ограничены размерами, шумом и качеством калибровки. В отличие от них, рассматриваемое устройство использует ридберговские атомы — атомы цезия, у которых внешний электрон отведён далеко от ядра — для измерения электрических полей. Эти атомы ведут себя как естественные наноантенны: их энергетические уровни смещаются в присутствии микроволн. Пропуская тщательно настроенные лазерные лучи через небольшую стеклянную ячейку, заполненную парами цезия, и наблюдая, сколько света проходит, исследователи могут считывать эти смещения и переводить их в прямую меру микроволнового поля.

Главное препятствие: дискретные атомные «станции»

До настоящего времени у таких сенсоров на основе атомов был важный недостаток: они наиболее чувствительны лишь на отдельных «станционных» частотах, соответствующих точным переходам между энергетическими уровнями. Если реальный сигнал попадает между этими станциями, сенсор вынужден полагаться на более слабые эффекты, и его работа резко ухудшается. Это затрудняет создание универсального приёмника, покрывающего полосу без разрывов. Ранее предпринятые усилия по расширению покрытия использовали более сложные схемы, например возбуждение двухфотонных переходов или добавление дополнительных микроволновых полей, но эти подходы либо снижали чувствительность, либо работали лишь на относительно узких участках спектра.

Скользящие атомные «станции» с помощью магнетизма

Ключевая инновация этой работы — использование магнитного поля как тонкого регулятора для самих атомов. При приложении постоянного магнитного поля каждый ридберговский энергетический уровень расщепляется на близко расположенные компоненты — явление, известное как эффект Зеемана. Подбирая величину магнитного поля и геометрию лазерных лучей, команда может непрерывно смещать определённые атомные переходы вверх или вниз по частоте так, чтобы они совпали с любой микроволновой тональностью, которую требуется обнаружить. Они демонстрируют, что по мере увеличения магнитного поля отдельные пики в спектре пропускания света смещаются линейно по частоте, при этом сохраняется сильное взаимодействие с микроволнами, что позволяет этим пикам служить высокочувствительными настраиваемыми каналами.

Сохранение сильного сигнала при широкой настройке

Проблема при использовании более сильных магнитных полей в том, что полезные пики в оптическом спектре склонны убывать, что обычно снижает чувствительность. Исследователи решают это, добавляя согласующее магнитное поле в отдельный оптический путь, используемый для стабилизации одного из лазеров, и затем слегка меняя частоту его захвата. Этот хитрый приём восстанавливает значительную часть высоты пика даже при больших полях. Используя схему сверхгетеродина — где неизвестный микроволновый сигнал смешивается с опорной тональностью внутри атомов — они измеряют, как обнаруживаемый биенийный сигнал масштабируется с входной мощностью, и подтверждают широкий динамический диапазон более 60 децибел. Для нескольких различных выборов ридберговских состояний они показывают, что при прокрутке магнитного поля можно покрыть частотные окна шире одного гигагерца вокруг каждого атомного перехода, сохраняя чувствительность на уровне десятков нановольт на сантиметр в квадратном корне из герца.

Новый тип универсального микроволнового «уха»

Сшивая вместе многочисленные такие магнитно настраиваемые окна, авторы демонстрируют непрерывное детектирование с высокой чувствительностью в диапазоне от 1 до 40 гигагерц, с чувствительностью всегда лучше 65 нановольт на сантиметр в квадратном корне из герца и достигая ниже 20 нановольт в наиболее благоприятных диапазонах. Проще говоря, их атомный приёмник может слушать почти любую микроволновую «станцию» в этой обширной полосе с почти той же остротой, что и на идеальных атомных резонансах — то, чего не достиг ни один предыдущий дизайн. Поскольку подход в принципе может быть расширен на ещё более низкие и более высокие частоты, он указывает путь к компактным, калибруемым сенсорам, которые могли бы мониторить всё — от радарных импульсов до космических сигналов —, используя лишь тщательно контролируемые облака атомов и постоянные магниты.

Цитирование: Yao, J., Sun, Z., Lin, Y. et al. Ultra-wideband continuous spectrum Rydberg atomic superheterodyne receiver with high sensitivity. Commun Phys 9, 102 (2026). https://doi.org/10.1038/s42005-026-02529-3

Ключевые слова: датчик на ридберговских атомах, детекция микроволн, квантовая электриметрия, зеноновская настройка, ультраширокополосный приёмник