Uma equipe de pesquisa da Faculdade de Física e do Centro de Tecnologias Ópticas Quânticas do Centro de Novas Tecnologias da Universidade de Varsóvia apresentou uma nova maneira de medir sinais terahertz difíceis de detectar usando uma “antena quântica”. Em seu trabalho, os cientistas usaram um dispositivo inovador para detecção de ondas de rádio baseado em átomos de Yadberg, que não apenas percebe a radiação terahertz, mas também calibra com precisão a chamada crista de frequência nesta parte do espectro. Até recentemente, a faixa terahertz era considerada um vazio no espectro eletromagnético, e um método relatado na revista ÓPTICO abre a porta para espectroscopia extremamente sensível e uma nova classe de sensores quânticos de temperatura ambiente.
A radiação Terahertz (THz), por fazer parte do espectro eletromagnético, situa-se na fronteira da eletrônica e da óptica, localizada entre as microondas (usadas, por exemplo, em Wi-Fi) e o infravermelho. Embora tenha um enorme potencial para aplicações que incluem inspeção de embalagens sem raios X, comunicações 6G de ultra-alta velocidade e espectroscopia e imagem de compostos orgânicos, transformar esse potencial em medições precisas e sensíveis tem sido tecnicamente desafiador. Nos últimos anos, os cientistas fizeram progressos significativos tanto na geração como na detecção da radiação terahertz, mas até agora não foram capazes de medir a crista de frequências nesta área com a precisão necessária.
Pentes de frequência como réguas eletromagnéticas ultraprecisas
Por que isso é tão importante? Os pentes de frequência, que ganharam o Prêmio Nobel em 2005, podem ser imaginados como uma régua incrivelmente precisa feita não de material sólido, mas de luz ou ondas de rádio. Em vez de marcações milimétricas – uma sequência de linhas uniformemente espaçadas (“dentes”) com frequências estritamente definidas. Esta “régua eletromagnética” permite aos físicos determinar a frequência de um sinal desconhecido com extrema precisão, simplesmente vendo a qual “dente” ele corresponde. Por causa disso, os pentes de frequência atuam como padrões de referência que podem ser usados para calibrar e estabilizar muitos tipos de instrumentos em uma ampla faixa de frequências. Dependendo de onde esta linha está localizada no espectro eletromagnético, os cientistas falam em cristas de frequência óptica, de rádio ou terahertz.
Os pentes de frequência Terahertz são particularmente atraentes porque podem suportar calibração e medições muito precisas na faixa onde as frequências de oscilação são mais altas que as ondas de rádio convencionais, mas mais baixas que as ondas ópticas (luz). No entanto, tais cristas são conhecidas por serem difíceis de medir com alta precisão, uma vez que as suas oscilações são demasiado rápidas para a electrónica convencional e não podem ser registadas directamente por métodos ópticos padrão. Os pesquisadores conseguiram determinar a distância entre os “dentes” do pente e medir a potência total distribuída ao longo do espectro, mas determinar quanta potência pertencia a um único dente permaneceu um grande desafio.
Átomos de Rydberg transformados em antenas quânticas
Cientistas da Faculdade de Física e do Centro de Tecnologias Ópticas Quânticas do Centro de Novas Tecnologias da Universidade de Varsóvia superaram este obstáculo e mediram pela primeira vez o sinal emitido por um único dente de um pente terahertz. Para conseguir isso, eles usaram um gás de átomos de rubídio preparado no estado de Rydberg. Um átomo de Rydberg é definido como um único elétron excitado em uma órbita muito alta ao ser iluminado por lasers sintonizados com precisão. Este átomo “inchado” atua como uma antena quântica, extremamente sensível a campos elétricos externos. Além disso, com lasers sintonizáveis, o detector pode ser ajustado para responder a uma frequência específica em tal campo na faixa de ondas até terahertz.
Tradicionalmente, a eletrometria de Rydberg usa o fenômeno de divisão de Autler-Townes para medir o campo elétrico. Sua grande vantagem é que o resultado da medição depende apenas das constantes atômicas fundamentais, proporcionando leituras absolutamente calibradas. Ao contrário das antenas clássicas, que requerem calibração meticulosa em laboratórios de rádio especializados, o sistema atômico é, em certo sentido, um padrão por si só. Além disso, devido à abundância de estados de energia em um átomo, tal sensor pode ser sintonizado quase continuamente em uma ampla faixa, desde um sinal de corrente contínua (DC) até o já mencionado terahertz.
Transformação híbrida de terragers em luz para extrema sensibilidade
Contudo, este método tem uma limitação: por si só, não é sensível o suficiente para registrar sinais terahertz muito fracos. Para remediar esta situação, a equipa de investigação aplicou ainda uma técnica de rádio-luz inventada na Universidade de Varsóvia e adaptou-a às necessidades da radiação terahertz. Neste processo, um sinal terahertz fraco é convertido em fótons ópticos, que podem então ser detectados com enorme sensibilidade usando contadores de fótons únicos. Esta abordagem híbrida é a chave do sucesso: ela combina a extrema sensibilidade da detecção de fótons com a capacidade de “recuperar” as capacidades de calibração do método Autler-Townes, mesmo para os sinais mais fracos.
O sensor baseado em átomo Jadberg possui todos os recursos necessários para realizar uma calibração precisa da frequência do pente: ele pode ser sintonizado em um dente do pente e depois reajustado no próximo e no próximo. Desta forma, os cientistas conseguiram observar várias dezenas de dentes numa gama de frequência muito ampla. Além disso, graças ao conhecimento das propriedades fundamentais dos átomos, o pente foi calibrado diretamente, determinando com precisão a sua intensidade.
Um novo caminho para a metrologia terahertz e tecnologias futuras
Os resultados obtidos pelos físicos da Universidade de Varsóvia, Viktar Krokas, Jan Navaselski, Bartosz Kasha, Sebastian Borovka, Matevus Mazelianyk, Wojciech Wasilewski e Michal Parniak representam muito mais do que o desenvolvimento de outro detector sensível. Seu trabalho estabelece as bases para um novo campo da metrologia. Com os átomos de Yadberg, o uso transformador de pentes de frequência óptica pode agora ser estendido para a anteriormente difícil região de terahertz. É importante ressaltar que, ao contrário de muitas tecnologias quânticas que requerem temperaturas muito baixas, este sistema opera à temperatura ambiente, o que reduz significativamente os custos e torna a comercialização futura mais realista. Isto cria a oportunidade de criar benchmarks de medição para a próxima geração da tecnologia terahertz.
O projeto “Tecnologias ópticas quânticas” (FENG.02.01-IP.05-0017/23) é implementado no âmbito da Medida 2.1 dos Programas Internacionais de Investigação da Fundação da Ciência Polaca, co-financiados pela União Europeia a partir da Prioridade 2 do Programa de Fundos Europeus para a Economia Moderna 2021-2027 (FENG). O estudo também é um dos resultados dos projetos SONATA17 e PRELUDIUM23 financiados pelo National Science Center.)
