具有高灵敏度的超宽带连续光谱里德伯原子超外差接收机

在无线电波中聆听微弱信号

从智能手机到雷达与卫星链路，各类无线技术都依赖穿行于空气中的微波细语。精确探测这些信号——尤其是当它们极其微弱且分布在许多不同频率上时——对于导航、天文学、通信和电子侦测至关重要。本文报道了一种基于高激发态原子云的新型微波“耳朵”，它能够在1到40千兆赫之间连续聆听，具有显著灵敏度，可能重新定义我们测量和监测周围不可见无线电世界的方式。

为何原子是出色的天线

传统微波接收器使用金属天线和电子电路，其性能最终受制于尺寸、噪声以及校准能力。相比之下，本研究所用装置利用里德伯原子——外层电子被激发至远离原子核的铯原子——来感知电场。这些原子充当天然的纳米天线，微波存在时其能级会发生位移。通过让精确调谐的激光束穿过充满铯蒸气的小玻璃腔，并观测透过的光量，研究人员能够读取这些能级位移并将其直接转换为微波场的测量值。

主要阻碍：离散的原子“站点”

迄今为止，此类基于原子的传感器存在一个重要缺点：它们在与原子能级跃迁精确匹配的特定“站点”频率处最为敏感。如果实际信号落在这些站点之间，传感器必须依赖更弱的效应，性能会急剧下降。这使得构建一个能无缝覆盖整个位段的通用接收机变得困难。先前为拓宽覆盖范围所做的尝试使用了更复杂的方案，例如驱动两光子跃迁或添加额外的微波场，但这些方法要么降低了灵敏度，要么仅在相对狭窄的频段内有效。

用磁场滑动原子“站点”

这项工作的关键创新是将磁性作为对原子进行柔性调谐的旋钮。当施加静磁场时，每个里德伯能级会分裂成彼此间隔很小的分量，这种现象称为塞曼效应。通过选择合适的磁场强度和激光束几何配置，团队可以连续地将特定原子跃迁在频率上向上或向下滑动，使其与所要检测的任意微波频率对齐。他们演示了随着磁场增加，光透射谱中的不同峰线以线性方式移动频率，同时仍保持与微波的强相互作用，从而使这些峰线成为高灵敏度的可调通道。

在宽范围调谐时保持信号强度

使用更强磁场的一个挑战是光学谱中有用峰值往往会变小，这通常会损害灵敏度。研究人员通过在用于稳定其中一束激光的独立光路上加入匹配的磁场并稍微调整锁定频率来解决这一问题。这一巧妙技巧即便在大磁场下也能恢复大部分峰值高度。借助超外差方案——将未知微波信号与参考基频在原子内混频——他们测量了检测到的拍频信号随输入功率的变化并确认了超过60分贝的宽动态范围。对于几种不同的里德伯态，他们展示了通过扫动磁场可以在每个原子跃迁周围覆盖超过一千兆赫的频率窗口，同时保持量级为数十纳伏每厘米每平方根赫兹的灵敏度。

一种新型的通用微波“耳朵”

通过拼接许多这样的磁性可调窗口，作者展示了从1到40千兆赫的连续高灵敏度检测，灵敏度始终优于65纳伏每厘米每平方根赫兹，并在最有利的频段降至20纳伏以下。简单来说，他们的原子接收机能够以几乎与理想原子共振处相同的锐利度聆听这一巨大频段内几乎所有的微波“台站”，此前的任何设计都未达到这一点。由于该方法原则上可以扩展到更低和更高的频率，它指向了可用于监测从雷达脉冲到宇宙信号的紧凑、可校准传感器解决方案，这些解决方案仅需经过精细控制的原子云和静磁场即可实现。

引用: 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

关键词: 里德伯原子传感器, 微波检测, 量子电测量, 塞曼调谐, 超宽带接收机