Uma equipe de pesquisa da Faculdade de Física e do Centro de Tecnologias Ópticas Quânticas do Centro de Novas Tecnologias da Universidade de Varsóvia introduziu uma nova maneira de medir sinais terahertz difíceis de detectar usando uma “antena quântica”. Em seu trabalho, os cientistas aplicaram uma instalação inovadora de detecção de ondas de rádio baseada em átomos de Rydberg, que não só detecta radiação terahertz, mas também calibra com precisão um chamado pente de frequência nesta parte do espectro. Até recentemente, a faixa de terahertz era considerada uma área em branco no espectro eletromagnético, e o método relatado na revista Optica abre as portas para espectroscopia extremamente sensível e uma nova classe de sensores quânticos em temperatura ambiente.
A radiação terahertz (THz), sendo parte do espectro eletromagnético, está situada na fronteira entre eletrônica e ótica, posicionada entre micro-ondas (utilizadas, por exemplo, no Wi-Fi) e infravermelho. Embora possua um potencial imenso para aplicações que incluem inspeção de pacotes sem raios-X prejudiciais, comunicação supersônica 6G e espectroscopia e imagem de compostos orgânicos, transformar esse potencial em medições precisas e sensíveis tem sido tecnicamente muito difícil. Nos últimos anos, os cientistas fizeram grandes avanços tanto na geração quanto na detecção de radiação terahertz, no entanto, até agora, não conseguiram medir um pente de frequência nesta região com a precisão necessária.
Pentes de frequência como réguas eletromagnéticas ultra-precisas
Por que isso é tão importante? Os pentes de frequência, que renderam um Prêmio Nobel em 2005, podem ser imaginados como uma régua incrivelmente precisa feita não de um material sólido, mas de luz ou ondas de rádio. Em vez de marcações em milímetros, há uma sequência de linhas espaçadas de forma uniforme (“dentes”) em frequências estritamente definidas. Esta “régua eletromagnética” permite que os físicos determinem a frequência de um sinal desconhecido com uma precisão extraordinária, simplesmente observando qual “dente” ele corresponde. Por esse motivo, os pentes de frequência atuam como padrões de referência que podem ser usados para calibrar e estabilizar muitos tipos de instrumentos em uma ampla gama de frequências. Dependendo de onde este padrão se encontra no espectro eletromagnético, os cientistas falam sobre pentes de frequência ópticos, de rádio ou terahertz.
Pentes de frequência terahertz são particularmente atraentes porque podem suportar calibração e medições altamente precisas em uma faixa onde as frequências de oscilação são mais altas do que as ondas de rádio típicas, mas mais baixas do que as ondas ópticas (luz). No entanto, tais pentes são notoriamente difíceis de medir com alta precisão, uma vez que suas oscilações são rápidas demais para a eletrônica convencional e não podem ser capturadas diretamente com métodos ópticos padrão. Os pesquisadores conseguiram determinar o espaçamento entre os “dentes” do pente e medir a potência total distribuída pelo espectro, mas determinar quanto poder pertence a um único dente tem permanecido um grande desafio.
Átomos de Rydberg transformados em antenas quânticas
Os cientistas da Faculdade de Física e do Centro de Tecnologias Ópticas Quânticas do Centro de Novas Tecnologias da Universidade de Varsóvia agora superaram esse obstáculo e, pela primeira vez, mediram o sinal emitido por um único dente do pente terahertz. Para atingir isso, eles empregaram um gás de átomos de rubídio preparados em um estado de Rydberg. Um átomo de Rydberg é definido como tendo um único elétron excitado para uma órbita muito alta ao ser iluminado com lasers ajustados com precisão. Este átomo “inchado” atua como uma antena quântica que é extremamente sensível a campos elétricos externos. Além disso, usando lasers ajustáveis, o detector pode ser configurado para responder a uma frequência específica dentro de tal campo, em uma faixa que se estende até ondas terahertz.
Tradicionalmente, na eletrometria de Rydberg, o fenômeno de divisão de Autler-Townes é usado para medir o campo elétrico. Sua enorme vantagem é que o resultado da medição depende apenas de constantes atômicas fundamentais, fornecendo uma leitura absolutamente calibrada. Ao contrário das antenas clássicas, que requerem calibração trabalhosa em laboratórios de rádio especializados, o sistema baseado em átomos é, em um certo sentido, um padrão por si só. Além disso, graças à riqueza dos estados de energia no átomo, tal sensor pode ser ajustado quase continuamente por uma enorme faixa, de um sinal de corrente contínua (DC) até o mencionado terahertz.
Conversão híbrida de terahertz para luz para sensibilidade extrema
No entanto, esse método tem uma limitação: por si só, não é sensível o suficiente para registrar sinais terahertz muito fracos. Para corrigir isso, a equipe de pesquisa aplicou adicionalmente uma técnica de conversão de ondas de rádio para luz, inventada na Universidade de Varsóvia, e a adaptou para as necessidades da radiação terahertz. Neste processo, o fraco sinal terahertz é convertido em fótons ópticos, que podem ser detectados com imensa sensibilidade usando contadores de fótons únicos. Essa abordagem híbrida é a chave para o sucesso: combina a extrema sensibilidade da deteção de fótons com a capacidade de “recuperar” as capacidades de calibração do método de Autler-Townes, mesmo para sinais mais fracos.
O sensor baseado em átomos de Rydberg possui todas as características necessárias para realizar calibração precisa de pentes de frequência: pode ser ajustado para um único dente do pente e, em seguida, reajustado para o próximo, e assim por diante. Os cientistas conseguiram observar várias dezenas de dentes em uma faixa de frequência muito ampla dessa maneira. Além disso, graças ao conhecimento das propriedades fundamentais dos átomos, o pente foi diretamente calibrado, determinando com precisão sua intensidade.
Um novo caminho para a metrologia terahertz e tecnologias futuras
Os resultados obtidos pelos físicos da Universidade de Varsóvia, Wiktor Krokosz, Jan Nowosielski, Bartosz Kasza, Sebastian Borówka, Mateusz Mazelanik, Wojciech Wasilewski e Michał Parniak representam muito mais do que o desenvolvimento de um detector sensível. Seu trabalho estabelece as bases para uma nova área de metrologia. Com a ajuda de átomos de Rydberg, os usos transformadores dos pentes de frequência ópticos podem agora ser estendidos para a anteriormente difícil região terahertz. Importante notar, ao contrário de muitas tecnologias quânticas que requerem temperaturas extremamente baixas, este sistema funciona em temperatura ambiente, o que reduz significativamente os custos e torna a futura comercialização mais realista. Isso cria uma oportunidade para construir padrões de medição de referência para a próxima geração de tecnologias terahertz.
O projeto “Tecnologias Ópticas Quânticas” (FENG.02.01-IP.05-0017/23) é implementado como parte da Medida 2.1 Agendas de Pesquisa Internacional da Fundação para a Ciência Polaca, co-financiado pela União Europeia no âmbito da Prioridade 2 do Programa dos Fundos Europeus para uma Economia Moderna 2021-2027 (FENG). A pesquisa também é um dos resultados dos projetos SONATA17 e PRELUDIUM23 financiados pelo Centro Nacional de Ciência.)