Сотрудники лаборатории теоретической и математической физики и лаборатории анализа данных физики высоких энергий физического факультета ТГУ предложили решение, основанное на свойствах ридберговских атомов. Эти атомы, в которых один из электронов находится на огромном удалении от ядра, обладают гигантскими размерами и невероятной чувствительностью к внешним полям. В последние годы они активно изучаются как основа для квантовых приемников: атомы помещают в ячейку, подсвечивают лазерами, а под воздействием радиоволны меняются их энергетические уровни, что сказывается на пропускании лазерного света. Измеряя эти изменения, можно восстановить параметры сигнала.
Как пояснили ученые, ридберговские атомы реагируют не только на мощность волны, но и на ее пространственное строение. Если волна обладает орбитальным моментом, в атомах возникают особые квантовые состояния. Ключевую роль в этом процессе играет квантовая когерентность — согласованная связь между уровнями атома, возникающая под действием лазеров и поля. Атом как бы запоминает фазу внешнего излучения, и эта информация проявляется в его оптическом отклике.
Мы не просто описали новый детектор — мы построили полную квантовую теорию взаимодействия закрученных радиоволн с атомами Ридберга вплоть до матричных элементов. Фактически, развитая теория позволяет превратить атомы в высокоструктурированные «квантовые антенны», способные различать фотоны не только по энергии и спину, но и по их орбитальному моменту. Наша работа открывает путь к созданию чувствительных радиосистем, где информация кодируется в орбитальном угловом моменте радиоволны, а приемником служит атомный пар при комнатной температуре. Это слияние квантовой физики и классической радиотехники совершенно нового уровня
В своей работе томские физики рассмотрели две возможные конфигурации такого детектора. Первая схема опирается на использование недипольных переходов между состояниями атомов, которые напрямую реагируют на момент волны, однако требуют больше времени для отклика. Вторая схема предполагает создание массива из ридберговских «антенн», каждая из которых измеряет обычный сигнал с высокой точностью. Сравнивая данные от разных точек, можно восстановить структуру закрученной волны. Такой подход сложнее с инженерной точки зрения, но быстрее и гибче в работе.
Исследование доказало, что квантовые системы способны выполнять задачи, которые традиционно считались прерогативой классической радиотехники. Работа опубликована в журнале в журнале Annals of Physics.
Ранее ученые Томского госуниверситета разработали отечественную технологию производства материала для выпуска рентгеновских детекторов.
