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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(dú)特的電磁學(xué)特性，太赫茲技術(shù)在天體物理學(xué)、生物醫(yī)學(xué)、無損檢測(cè)、無線通信、爆炸物檢測(cè)和GF安全等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，被譽(yù)為“改變未來的十大技術(shù)” 之一。高靈敏太赫茲探測(cè)器是太赫茲領(lǐng)域的關(guān)鍵核心技術(shù)，實(shí)現(xiàn)室溫太赫茲單光子探測(cè)器將對(duì)太赫茲技術(shù)產(chǎn)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(yīng)的材料和器件十分匱乏。盡管太赫茲單光子探測(cè)在低溫環(huán)境已被實(shí)現(xiàn)，但室溫操作對(duì)于實(shí)際應(yīng)用至關(guān)重要，在室溫下實(shí)現(xiàn)太赫茲單光子探測(cè)仍然是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。

將能量較低的太赫茲光子相干轉(zhuǎn)換為能量較高的可見光/近紅外光子是實(shí)現(xiàn)室溫超靈敏太赫茲探測(cè)器最有前途的方法之一。然而盡管多種非線性介質(zhì)已被嘗試用于相干轉(zhuǎn)換，如量子點(diǎn)等，但是目前的探測(cè)靈敏度與已在低溫下實(shí)現(xiàn)的單光子探測(cè)相差多個(gè)量級(jí)。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(zhì)是該領(lǐng)域的重要目標(biāo)。

處于高激發(fā)態(tài)的里德堡原子具有許多獨(dú)特的性能，例如對(duì)外界電場(chǎng)有較高的靈敏度、較大的偶極相互作用和較強(qiáng)的非線性等，在精密測(cè)量、量子計(jì)算/模擬、量子光源等方面具有重要應(yīng)用，是前沿研究方向。

近期，學(xué)會(huì)副理事長(zhǎng)華東師范大學(xué)武海斌教授和華東師范大學(xué)盛繼騰教授團(tuán)隊(duì)基于里德堡原子氣室首次實(shí)現(xiàn)室溫太赫茲單光子探測(cè)。實(shí)驗(yàn)中，基于里德堡非簡(jiǎn)并六波混頻過程，將低能量的太赫茲光子相干上轉(zhuǎn)換為高能量的近紅外光子，并使用可見光硅基單光子探測(cè)器測(cè)量，從而實(shí)現(xiàn)太赫茲單光子探測(cè)，全過程無需低溫冷卻。實(shí)現(xiàn)的太赫茲探測(cè)器的噪聲等效功率（NEP）為9.5×10-19 W/Hz1/2，優(yōu)于已報(bào)道的室溫太赫茲探測(cè)器四個(gè)數(shù)量級(jí)以上。探測(cè)器量子效率為4.3%，動(dòng)態(tài)范圍為40.6 dB，最大轉(zhuǎn)換帶寬為172 MHz，可實(shí)現(xiàn)連續(xù)弱太赫茲場(chǎng)探測(cè)，帶寬等參數(shù)可以通過輔助光場(chǎng)連續(xù)可調(diào)。此外，基于該探測(cè)器測(cè)量了輸入太赫茲光子的二階關(guān)聯(lián)函數(shù)，證明了其執(zhí)行單光子檢測(cè)的能力。該單光子太赫茲探測(cè)器系統(tǒng)有望實(shí)現(xiàn)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(wèi)星遙感、醫(yī)學(xué)成像等領(lǐng)域有重要應(yīng)用前景。

相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表在Applied Physics Reviews 11, 041420 (2024)，被選為亮點(diǎn)論文，并被美國(guó)物理學(xué)聯(lián)合會(huì)《科學(xué)之光》（Scilight）專題文章采訪報(bào)道。

圖1. (a) 太赫茲—近紅外光子相干上轉(zhuǎn)換原理圖；(b) 非簡(jiǎn)并六波混頻87Rb 原子系統(tǒng)能級(jí)圖；(c) 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖；(d) 六波混頻產(chǎn)生信號(hào) (紅色) 和泵浦場(chǎng)透射信號(hào) (藍(lán)色) 。