Un equipo de investigación de la Facultad de Física y del Centro de Nuevas Tecnologías Ópticas Cuánticas de la Universidad de Varsovia ha desarrollado una nueva forma de medir señales de terahercios difíciles de detectar utilizando una “antena cuántica”. En su trabajo, los científicos aplicaron una innovadora configuración de detección de ondas de radio basada en átomos de Rydberg que no solo detecta la radiación de terahercios, sino que también calibra con precisión el llamado peine de frecuencia en esta parte del espectro. Hasta hace poco, el rango de terahercios se consideraba un área en blanco en el espectro electromagnético, y el método se informó en la revista óptico abre la puerta a una nueva clase de espectroscopia altamente sensible y sensores cuánticos a temperatura ambiente.
La radiación de terahercios (THz), al ser parte del espectro electromagnético, se encuentra en la frontera de la electrónica y la óptica, entre las microondas (utilizadas por ejemplo en Wi-Fi) y los infrarrojos. Aunque tiene un gran potencial para aplicaciones que incluyen la inspección de paquetes sin rayos X dañinos, comunicación 6G de alta velocidad y espectroscopia e imágenes de compuestos orgánicos, convertir este potencial en mediciones precisas y sensibles es técnicamente muy difícil. En los últimos años, los científicos han logrado grandes avances tanto en la generación como en la detección de radiación de terahercios, pero hasta ahora no han podido medir un peine de frecuencia en esta región con la precisión requerida.
Peines de frecuencia como reglas electromagnéticas de ultraprecisión
¿Por qué es esto tan importante? Los peines de frecuencia, que ganaron el Premio Nobel en 2005, se pueden imaginar como una regla increíblemente precisa hecha no de material sólido, sino de luz u ondas de radio. En lugar de marcas milimétricas, hay una secuencia de líneas (“dientes”) espaciadas uniformemente con frecuencias estrictamente definidas. Esta “regla electromagnética” permite a los físicos determinar la frecuencia de una señal desconocida con notable precisión simplemente viendo con qué “dientes” coincide. Por esta razón, los peines de frecuencia sirven como estándares de referencia que pueden usarse para calibrar y estabilizar muchos tipos de instrumentos en una amplia gama de frecuencias. Dependiendo de dónde se encuentre esta regla en el espectro electromagnético, los científicos hablan de peines de frecuencia óptica, de radio o de terahercios.
Los peines de frecuencia de terahercios son particularmente atractivos porque pueden admitir calibración y mediciones de alta precisión en una banda donde la frecuencia de oscilación es más alta que las ondas de radio normales pero más baja que las ondas ópticas (luz). Sin embargo, estos peines son muy difíciles de medir con alta precisión, ya que sus oscilaciones son demasiado rápidas para la electrónica convencional y no pueden capturarse directamente mediante métodos ópticos estándar. Los investigadores han podido determinar el espacio entre los “dientes” del peine y medir la potencia total distribuida en todo el espectro, pero determinar cuánta potencia transporta un solo diente sigue siendo un gran desafío.
Átomo de Rydberg convertido en antena cuántica
Científicos de la Facultad de Física y del Centro de Tecnologías Ópticas Cuánticas del Centro de Nuevas Tecnologías de la Universidad de Varsovia han superado esta barrera y midieron por primera vez la señal emitida por un solo diente de peine de terahercios. Para conseguirlo, emplearon un gas de átomos de rubidio preparado en estado de Rydberg. Un átomo de Rydberg se define como un único electrón excitado a una órbita muy alta mediante iluminación con un láser sintonizado con precisión. Este átomo “hinchado” actúa como una antena cuántica muy sensible a los campos eléctricos externos. Además, utilizando láseres sintonizables, el detector se puede ajustar para responder a una frecuencia específica dentro de un campo, en un rango que abarca hasta ondas de terahercios.
Tradicionalmente, en electrometría de Rydberg, se utiliza el fenómeno de división de Autler-Townes para medir el campo eléctrico. Su gran ventaja es que los resultados de la medición dependen únicamente de las constantes atómicas fundamentales, lo que proporciona una lectura totalmente calibrada. A diferencia de las antenas clásicas, que requieren una calibración minuciosa en laboratorios de radio especializados, el sistema de base atómica es, en cierto sentido, un estándar en sí mismo. Además, gracias al enriquecimiento de los estados energéticos de los átomos, un sensor de este tipo puede sintonizarse casi continuamente en un amplio rango, desde señales de corriente continua (CC) hasta los terahercios antes mencionados.
Conversión de luz híbrida de terahercios (Terahercios híbridos) para una sensibilidad extrema
Sin embargo, este método tiene una limitación: no es lo suficientemente sensible como para registrar por sí solo señales muy débiles de terahercios. Para remediar esto, el equipo de investigación aplicó una técnica de conversión de ondas de radio en luz inventada en la Universidad de Varsovia y la adaptó a la necesidad de radiación de terahercios. En este proceso, la débil señal de terahercios se convierte en fotones ópticos, que luego pueden detectarse con una sensibilidad inconmensurable mediante contadores de fotón único. Este método híbrido es la clave del éxito: combina la extrema sensibilidad de la detección de fotones con la capacidad de “recuperar” las capacidades de calibración del método Autler-Townes incluso para señales débiles.
El sensor basado en átomos de Rydberg posee todas las propiedades necesarias para realizar una calibración de frecuencia precisa del peine: se puede sintonizar en un solo diente del peine y luego volver al siguiente y al siguiente. De este modo, los científicos pudieron controlar decenas de dientes en un rango de frecuencia bastante amplio. Además, gracias al conocimiento de las propiedades fundamentales de los átomos, el peine fue calibrado directamente, determinando con precisión su intensidad.
Metrología de terahercios y nuevos caminos para tecnologías futuras
Los resultados obtenidos por los físicos Wiktor Krokosz, Jan Nowocielski, Bartosz Kasza, Sebastian Borowka, Mateusz Mazelanik, Wojciech Wasilewski y Michael Parniak de la Universidad de Varsovia representan mucho más que el desarrollo de otros detectores sensibles. Su trabajo sentó las bases de una nueva área de metrología. Con los átomos de Rydberg, los usos transformadores de los peines de frecuencia óptica ahora pueden extenderse a la región de los terahercios, que antes era difícil. Es importante destacar que, a diferencia de muchas tecnologías cuánticas que requieren temperaturas extremadamente bajas, este sistema funciona a temperatura ambiente, lo que reduce en gran medida los costos y hace que la comercialización futura sea más realista. Esto crea una oportunidad para crear estándares de medición de referencia para la próxima generación de tecnología de terahercios.
El proyecto “Tecnologías ópticas cuánticas” (FENG.02.01-IP.05-0017/23) se implementa como parte de la medida 2.1 de la Agenda Internacional de Investigación de la Fundación para la Ciencia Polaca, cofinanciada por la Unión Europea con cargo a la Prioridad 2 del Fondo Europeo para la Economía Moderna (2027). La investigación es uno de los resultados de los proyectos SONATA17 y PRELUDIUM23 financiados por el Centro Nacional de Ciencias).
