“الهوائي الكمي” يكسر الحاجز في قياس إشارات تيراهيرتز بعيدة المنال

ابتكر فريق بحثي هوائيًا كميًا قادرًا على القياس بدقة تيراهيرتز أمشاط التردد لأول مرة.

قدم فريق بحثي من كلية الفيزياء ومركز التقنيات البصرية الكمية في مركز التقنيات الجديدة بجامعة وارسو طريقة جديدة لاكتشاف إشارات تيراهيرتز الضعيفة للغاية باستخدام “هوائي كمي”. تعتمد طريقتهم على نظام متخصص يستخدم ذرات ريدبيرج للكشف عن موجات الراديو، مما يسمح لهم ليس فقط بالتقاط هذه الإشارات ولكن أيضًا بمعايرة مشط التردد بدقة في نطاق تيراهيرتز.

كان هذا الجزء من الطيف الكهرومغناطيسي يعتبر غير مستكشف إلى حد كبير حتى وقت قريب، وتم الإبلاغ عن هذا الاختراق في عام 2008 مرئييقدم طريقًا نحو التحليل الطيفي عالي الحساسية وفئة جديدة من أجهزة الاستشعار الكمومية التي يمكن أن تعمل في درجة حرارة الغرفة.

يحتل إشعاع تيراهيرتز (THz) موقعًا فريدًا ضمن الطيف الكهرومغناطيسي، حيث يقع بين الموجات الدقيقة (مثل تلك المستخدمة في شبكة Wi-Fi) وضوء الأشعة تحت الحمراء عند تقاطع الإلكترونيات والبصريات. يعد بمجموعة واسعة من التطبيقات، بما في ذلك مسح الحزم بدون أشعة سينية ضارة، مما يتيح اتصال 6G فائق السرعة، والتحليل الطيفي المتقدم وتصوير المركبات العضوية.

على الرغم من هذه الإمكانية، ظل استخدام إشعاع T هرتز لإجراء قياسات دقيقة وحساسة أمرًا صعبًا. تم إحراز تقدم كبير في توليد وكشف موجات T هرتز في السنوات الأخيرة، ومع ذلك فإن تحقيق قياس دقيق لمشط التردد ظل بعيد المنال حتى هذا العمل.

دور أمشاط التردد

لماذا هذا مهم جدا؟ من السهل تصور أمشاط التردد، التي حصلت على جائزة نوبل عام 2005، على أنها مسطرة دقيقة للغاية، ولكنها مصنوعة من الضوء أو موجات الراديو. فبدلاً من العلامات المليمترية، يكون لدى المرء سلسلة من الخطوط المتباعدة بشكل منتظم (“أسنان”) بترددات محددة بدقة. تسمح هذه “المسطرة الكهرومغناطيسية” للفيزيائيين بقياس تردد إشارة غير معروفة بدقة متناهية – وذلك ببساطة عن طريق التحقق من “السن” الموجود على المسطرة الذي تتوافق معه الإشارة. ونتيجة لذلك، تعمل الأمشاط كمعيار مرجعي لمعايرة وضبط الأجهزة الأخرى عبر نطاق واسع جدًا. اعتمادًا على مكان وجود هذه المسطرة في الطيف الكهرومغناطيسي، نشير إلى أمشاط التردد الضوئية أو الراديوية أو التيراهيرتز.

تعد أمشاط تردد تيراهيرتز مثيرة للاهتمام بشكل خاص لأنها ستمكن من المعايرة، وبالتالي، إجراء قياسات أكثر دقة في نطاق تردد أعلى بكثير (أسرع تذبذبًا) من موجات الراديو، ولكنه أقل من الموجات الضوئية (الضوء). ومع ذلك، يصعب قياس هذا النوع من المشط بدقة، فهو سريع جدًا بالنسبة للإلكترونيات الحديثة، وفي الوقت نفسه، لا يمكن تسجيله بالطرق البصرية. على الرغم من أنه يمكن تحديد المسافة بين أسنان المشط، ويمكن قياس إجمالي الطاقة المنبعثة عبر الطيف، إلا أنه كان من الصعب تحديد مساهمة الطاقة لسن واحد.

نجح العلماء من كلية الفيزياء ومركز التقنيات البصرية الكمية في مركز التقنيات الجديدة بجامعة وارسو في التغلب على هذا القيد وقياس الإشارة المنبعثة من سن مشط تيراهيرتز واحد لأول مرة. وللقيام بذلك، استخدموا غازًا من ذرات الروبيديوم في ولاية ريدبيرج. ريدبيرج ذرة يتم تعريفه على أنه وجود إلكترون واحد متحمس إلى مدار مرتفع جدًا من خلال إضاءته بأشعة ليزر مضبوطة بدقة. تصبح هذه الذرة “المنتفخة” هوائيًا كميًا، حساسًا للغاية للمجالات الكهربائية الخارجية. علاوة على ذلك، باستخدام الليزر القابل للضبط، يمكن بعد ذلك ضبطه على تردد واحد محدد لمثل هذا المجال، في نطاق يمتد حتى موجات تيراهيرتز.

تقليديا، في قياس ريدبيرج الكهربائي، يتم استخدام ظاهرة انقسام أوتلر-تاون لقياس المجال الكهربائي. وتتمثل ميزته الكبيرة في أن نتيجة القياس تعتمد فقط على الثوابت الذرية الأساسية، مما يوفر قراءة معايرة تمامًا. وعلى عكس الهوائيات الكلاسيكية، التي تتطلب معايرة شاقة في مختبرات الراديو المتخصصة، فإن النظام الذري هو، إلى حد ما، معيار في حد ذاته. علاوة على ذلك، وبفضل ثراء حالات الطاقة في الذرة، يمكن ضبط مثل هذا المستشعر بشكل مستمر تقريبا على مدى هائل – من إشارة التيار المباشر (DC) إلى تيراهيرتز المذكورة أعلاه.

تعزيز الحساسية من خلال تحويل الضوء

ومع ذلك، فإن هذه الطريقة لها قيود: فهي بمفردها ليست حساسة بدرجة كافية لتسجيل إشارات تيراهيرتز ضعيفة جدًا. ولعلاج ذلك، قام فريق البحث أيضًا بتطبيق تقنية تحويل موجة الراديو إلى الضوء التي تم اختراعها في جامعة وارسو وقاموا بتكييفها مع احتياجات إشعاع تيراهيرتز. في هذه العملية، يتم تحويل إشارة تيراهيرتز الضعيفة إلى فوتونات بصرية، والتي يمكن بعد ذلك اكتشافها بحساسية هائلة باستخدام عدادات الفوتون الواحد.

هذا النهج الهجين هو مفتاح النجاح: فهو يجمع بين الحساسية الشديدة للسياسة الفوتون الكشف مع القدرة على “استعادة” إمكانيات المعايرة لطريقة Autler-Townes حتى بالنسبة لأضعف الإشارات.

رسم خرائط ومعايرة مشط تيراهيرتز

يمتلك المستشعر المعتمد على ذرات Rydberg جميع الميزات اللازمة لإجراء معايرة دقيقة لمشط التردد: يمكن ضبطه على سن واحد من المشط، ثم إعادة ضبطه على السن التالي، والذي يليه. تمكن العلماء من مراقبة عشرات الأسنان في نطاق ترددي واسع جدًا بهذه الطريقة. بالإضافة إلى ذلك، وبفضل معرفة الخصائص الأساسية للذرات، تمت معايرة المشط مباشرة، وتحديد كثافته بدقة.

النتائج التي حصل عليها الفيزيائيون من جامعة وارسو، فيكتور كروكوسز، ويان نووسييلسكي، وبارتوش كاسزا، وسيباستيان بوروكا، وماتيوش مازيلانيك، ووجسيك فاسيليفسكي، وميكال بارنياك، هي أكثر من مجرد كاشف حساس آخر.

هم الأساس لفرع جديد من علم القياس. وبفضل مزايا ذرات ريدبيرج، يمكن الآن نقل التطبيقات الثورية لأمشاط التردد الضوئي إلى مجال تيراهيرتز الصعب حتى الآن. والأهم من ذلك، أنه على عكس العديد من التقنيات الكمومية التي تتطلب درجات حرارة منخفضة للغاية، يعمل النظام المطور في درجة حرارة الغرفة، مما يقلل بشكل كبير من التكاليف ويسهل التسويق التجاري في المستقبل. وهذا يفتح الباب أمام إنشاء معايير قياس مرجعية للعصر القادم من تقنيات تيراهيرتز.

المرجع: “قياس المجال الكهربائي لمشط تردد تيراهيرتز باستخدام ذرات ريدبيرج” بقلم بارتوش كاسزا، وميكال بارنياك، ووجيتش فاسيليفسكي، وماتيوش مازيلانيك، ويان نوفوسيلسكي، وفيكتور كروكوس، وسيباستيان بوروكا، 19 نوفمبر 2025، مرئي.
دوى: 10.1364/أوبتيكا.578051

يتم تنفيذ مشروع “التقنيات البصرية الكمومية” (FENG.02.01-IP.05-0017/23) كجزء من الإجراء 2.1 أجندات البحث الدولية لمؤسسة العلوم البولندية، بتمويل مشترك من الاتحاد الأوروبي من الأولوية 2 للصناديق الأوروبية لبرنامج الاقتصاد الحديث 2021-2027 (FENG). يعد البحث أيضًا أحد نتائج مشروعي SONATA17 وPRELUDIUM23 الممولين من المركز الوطني للعلوم.)

لا تفوت أي اختراق: انضم إلى النشرة الإخبارية SciTechDaily.
تابعونا على جوجل و أخبار جوجل.