太赫茲波是位于紅外和微波之間，頻率為0.1~10THz的電磁波波段。由于太赫茲獨特的電磁學特性，太赫茲技術在天體物理學、生物醫學、無損檢測、無線通信、爆炸物檢測和GF安全等領域具有廣闊的應用前景，被譽為“改變未來的十大技術” 之一。高靈敏太赫茲探測器是太赫茲領域的關鍵核心技術，實現室溫太赫茲單光子探測器將對太赫茲技術產生顛覆性影響。在太赫茲頻段,由于單光子能量較低, 具有高靈敏高響應的材料和器件十分匱乏。盡管太赫茲單光子探測在低溫環境已被實現，但室溫操作對于實際應用至關重要，在室溫下實現太赫茲單光子探測仍然是一個巨大的挑戰。
將能量較低的太赫茲光子相干轉換為能量較高的可見光/近紅外光子是實現室溫超靈敏太赫茲探測器最有前途的方法之一。然而盡管多種非線性介質已被嘗試用于相干轉換，如量子點等，但是目前的探測靈敏度與已在低溫下實現的單光子探測相差多個量級。因此，尋找一種合適的、具有高量子效率和低噪聲的室溫非線性介質是該領域的重要目標。
處于高激發態的里德堡原子具有許多獨特的性能，例如對外界電場有較高的靈敏度、較大的偶極相互作用和較強的非線性等，在精密測量、量子計算/模擬、量子光源等方面具有重要應用，是前沿研究方向。
近期，學會副理事長華東師范大學武海斌教授和華東師范大學盛繼騰教授團隊基于里德堡原子氣室首次實現室溫太赫茲單光子探測。實驗中，基于里德堡非簡并六波混頻過程，將低能量的太赫茲光子相干上轉換為高能量的近紅外光子，并使用可見光硅基單光子探測器測量，從而實現太赫茲單光子探測，全過程無需低溫冷卻。實現的太赫茲探測器的噪聲等效功率（NEP）為9.5×10-19 W/Hz1/2，優于已報道的室溫太赫茲探測器四個數量級以上。探測器量子效率為4.3%，動態范圍為40.6 dB，最大轉換帶寬為172 MHz，可實現連續弱太赫茲場探測，帶寬等參數可以通過輔助光場連續可調。此外，基于該探測器測量了輸入太赫茲光子的二階關聯函數，證明了其執行單光子檢測的能力。該單光子太赫茲探測器系統有望實現便攜式和小型化，成為新一代太赫茲接收器，在下一代無線通信（6G頻段）、載人航天、衛星遙感、醫學成像等領域有重要應用前景。
相關研究結果發表在Applied Physics Reviews 11, 041420 (2024)，被選為亮點論文，并被美國物理學聯合會《科學之光》（Scilight）專題文章采訪報道。
圖1. (a) 太赫茲—近紅外光子相干上轉換原理圖；(b) 非簡并六波混頻87Rb 原子系統能級圖；(c) 實驗裝置示意圖；(d) 六波混頻產生信號 (紅色) 和泵浦場透射信號 (藍色) 。
轉載請注明出處。
相關文章
熱門資訊
精彩導讀
關注我們
