[论文解读] Rydberg atom-based field sensing enhancement using a split-ring resonator

Christopher L. Holloway, Nikunjkumar Prajapati+5 more|arXiv (Cornell University)|Feb 17, 2022

Quantum optics and atomic interactions参考文献 44被引用 82

一句话总结

该论文提出通过在铯原子汽室周围集成一个分裂环谐振器（SRR），以增强基于里德堡原子的射频电场传感性能，该SRR可将1.3 GHz入射射频场集中并放大。SRR使灵敏度提升了100倍，实现了5 mV/m的最低检测电场，灵敏度达5.5 µV/√Hz，相较于无SRR的常规EIT方法提升了两个数量级。

ABSTRACT

We investigate the use of a split-ring resonator (SRR) incorporated with an atomic-vapor cell to improve the sensitivity and the minimal detectable electric (E) field of Rydberg atom-based sensors. In this approach, a sub-wavelength SRR is placed around an atomic vapor-cell filled with cesium atoms for E-field measurements at 1.3~GHz. The SRR provides a factor of 100 in the enhancement of the E-field measurement sensitivity. Using electromagnetically induced transparency (EIT) with Aulter-Townes splitting, E-field measurements down to 5~mV/m are demonstrated with the SRR, while in the absence of the SRR, the minimal detectable field is 500~mV/m. We demonstrate that by combining EIT with a heterodyne Rydberg atom-based mixer approach, the SRR allows for the a sensitivity of 5.5~$\mu$V/m$\sqrt{{ m Hz}}$, which is two-orders of magnitude improvement in sensitivity than when the SRR is not used.

研究动机与目标

• 提升基于里德堡原子的射频传感器中最小可检测电场，突破由EIT线宽所限制的极限。
• 克服标准EIT/AT光谱法的根本灵敏度限制，该限制源于2–5 MHz的线宽。
• 证明亚波长SRR结构可增强原子汽室处的局部射频电场，从而提升传感器灵敏度。
• 通过电磁诱导透明度（EIT）和奥尔特-托恩斯劈裂（Autler-Townes splitting）验证SRR增强传感器在弱场检测中的性能。
• 将SRR增强后的性能与传统EIT传感器进行对比，量化灵敏度的提升程度。

提出的方法

• 制备了一个亚波长铜质分裂环谐振器（SRR），其环路尺寸为15.77 mm × 16.40 mm，间隙为10.03 mm，谐振频率为1.312 GHz，与铯-133的里德堡跃迁（80D5/2 ↔ 81P3/2）匹配。
• 将SRR置于直径为10.03 mm的铯原子汽室周围，使入射射频场在SRR间隙处集中，原子暴露于增强的电场强度中。
• 有限元仿真与实验测量结果均证实，SRR间隙处电场的谐振增强因子约为100，谐振频率为1.309 GHz，与原子跃迁频率（1.312 GHz）接近。
• 采用三能级EIT方案，利用852 nm探测激光与508 nm耦合激光相干制备里德堡态，以实现对射频场引起的奥尔特-托恩斯劈裂的检测。
• 通过光电探测器与锁相放大器进行差分检测，以提高信噪比。
• 采用外差混频技术量化灵敏度，最小可检测电场由可分辨的最小AT劈裂确定。

实验结果

研究问题

• RQ1 分裂环谐振器（SRR）是否能显著增强汽室中里德堡原子位置的局部射频电场？
• RQ2 与仅使用EIT的常规方法相比，SRR集成在多大程度上提升了基于里德堡原子的电场传感器灵敏度？
• RQ3 在1.3 GHz频率下，SRR增强的EIT基传感技术可实现的最小可检测电场是多少？
• RQ4 SRR的谐振频率与电场增强因子与原子跃迁频率及理论预测相比如何？
• RQ5 SRR增强的传感器是否能实现亚mV/m量级的灵敏度，适用于高精度射频计量或弱信号接收？

主要发现

• SRR在汽室处将局部电场增强了约100倍，仿真与测量结果均证实了这一点。
• 在SRR存在下，最小可检测电场降低至5 mV/m，而无SRR时为500 mV/m，灵敏度提升了100倍。
• SRR增强传感器的灵敏度达到5.5 µV/√Hz，比无SRR时的550 µV/√Hz高出两个数量级。
• SRR实测谐振频率（1.309 GHz）与原子跃迁频率（1.312 GHz）相差仅0.2%，有效减小了对EIT测量的失谐影响。
• 实验测得的电场增强（100×）略低于仿真值（130×），可能由于金属损耗、介质损耗及加工公差所致。
• SRR具有高度极化选择性，仅当入射电场沿y方向极化时才实现电场增强，符合设计预期。