Физики ТГУ предложили новый способ обнаружения так называемых закрученных радиоволн — электромагнитных волн с винтовой фазовой структурой. В своей теоретической работе, опубликованной в журнале Annals of Physics, они впервые показывают, что такие волны можно регистрировать с помощью ридберговских атомов — квантовых систем, чрезвычайно чувствительных к слабым радиочастотным полям.
Закрученные радиоволны привлекают внимание тем, что их орбитальный угловой момент может использоваться как дополнительная степень свободы для кодирования информации. Однако до сих пор практическое применение этой идеи сдерживалось отсутствием компактных и универсальных детекторов.
Обычная радиоволна — это колебание электрического и магнитного поля, которое можно охарактеризовать частотой, амплитудой и поляризацией. Однако у волны может быть ещё одна характеристика (степень свободы) — орбитальный угловой момент. В этом случае фаза волны закручивается по спирали вокруг направления распространения, а фронт волны напоминает винт или штопор. С точки зрения приложений это означает, что разные значения орбитального углового момента формируют независимые пространственные моды. Теоретически это позволяет передавать несколько сигналов на одной и той же частоте. На практике же возникает вопрос: как различить эти моды без громоздких антеннных решёток и сложной пространственной обработки сигнала?
Ридберговскими называют атомы, в которых один из электронов находится очень далеко от ядра — в состоянии с большим главным квантовым числом. Из-за этого такие атомы имеют гигантские размеры по атомным меркам и чрезвычайно чувствительны к внешним электромагнитным полям, в том числе к радиоволнам.
В последние годы ридберговские атомы активно используются как квантовые приёмники радиосигналов. В типичной схеме атомы помещаются в стеклянную ячейку и освещаются лазерами. Радиоволна слегка изменяет энергетические уровни атома, и это отражается на том, как атомы поглощают или пропускают лазерный свет. Измеряя изменение оптического сигнала, можно восстановить параметры радиосигнала.
Авторы показывают, что ридберговские атомы чувствительны не только к мощности радиоволны, но и к её пространственной структуре. Если радиоволна несёт орбитальный угловой момент, то она возбуждает в атомах особые квантовые состояния, зависящие от «закрученности» волны. Главную роль здесь играет квантовая когерентность — согласованная связь между атомными уровнями, возникающая под действием лазеров и радиочастотного поля. Проще говоря, атом начинает «помнить» фазу внешнего поля, и эта информация проявляется в оптическом отклике среды.
«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. Данная работа открывает путь к созданию чувствительных радиосистем, где информация кодируется в орбитальном угловом моменте радиоволны, а приёмником служит атомный пар при комнатной температуре. Это слияние квантовой физики и классической радиотехники совершенно нового уровня».
— комментирует результаты работы один из ее авторов, профессор кафедры квантовой теории поля ФФ ТГУ, д-р. физ.-мат. наук, Казинский Петр Олегович
В статье рассмотрены две возможные схемы детектора. Первая использует редкие, так называемые недипольные переходы между ридберговскими состояниями. Они напрямую чувствительны к орбитальному угловому моменту радиоволны, но требуют довольно длительного времени отклика.
Вторая схема основана на массиве ридберговских «антенн», каждая из которых регистрирует обычные радиоволны, но с высокой фазовой точностью. Сравнивая сигналы от разных точек пространства, можно восстановить топологический заряд закрученной волны. Такой подход оказывается быстрее и гибче, хотя и более громоздким с инженерной точки зрения.
Работа демонстрирует, что атомные квантовые системы могут выполнять функции, которые традиционно решались исключительно средствами классической радиотехники. В перспективе это может привести к созданию компактных сенсоров для анализа сложных радиосигналов, новых систем связи и методов радиозондирования. При этом предложенные схемы не требуют экзотических условий. Они укладываются в рамки уже существующих экспериментальных платформ ридберговской спектроскопии. Следующим шагом может стать экспериментальная реализация таких детекторов и проверка их чувствительности в реальных условиях.
Работа томских физиков — часть активно развивающейся области квантовой сенсорики. В целом, квантовые детекторы применяются там, где требуется сверхвысокая чувствительность, недоступная классическим приборам, — от медицины и навигации до поиска темной материи. Их основные сферы: медицинская визуализация, квантовые вычисления, защищенная связь, поиск полезных ископаемых и автономный транспорт. Предложенный детектор закрученных волн открывает для таких сенсоров новую задачу — анализ сложнейшей пространственной структуры сигналов.
О работе физиков ТГУ рассказывают Известия.