Ce projet repousse les limites de la détection des champs de radiofréquences (RF) les plus faibles grâce à des capteurs quantiques à atomes de Rydberg faisant appel à un nouveau schéma d’excitation à trois photons qui a été découvert par les chercheurs du Laboratoire d’idées Quantum Valley. Contrairement aux capteurs classiques, les capteurs quantiques peuvent fonctionner à un régime où il est possible de mesurer l’intensité du champ RF sans avoir recours à un étalonnage coûteux. La largeur de raie spectrale du signal étant plus étroite, on peut mesurer des champs RF plus faibles grâce à cette méthode à auto-étalonnage.

On obtient des largeurs de raie spectrale étroites en réduisant le décalage Doppler des atomes en mouvement grâce à un schéma à trois photons permettant d’annuler plus efficacement les vecteurs d’onde du champ laser. En outre, un tel schéma améliore considérablement la sensibilité aux impulsions de champs RF de l’ordre de la microseconde, qui sont nécessaires pour les communications et les radars. Nous avons observé des largeurs de raie spectrale pour les états de Rydberg du césium inférieures à 200 kHz, un phénomène entièrement expliqué par la théorie. Nous espérons pouvoir obtenir expérimentalement au moyen de cette méthode des largeurs de raies spectrales d’environ 50 kHz dans des cellules à vapeur thermiques.

Dans le cadre de ce projet, nous tentons d’atteindre une sensibilité toujours plus grande, tout en simplifiant l’expérience de sorte qu’elle puisse être transposée dans un système utilisable sur le terrain.

Deux lasers sont propagés contre eux dans une cellule à vapeur, éventuellement capté par un lecteur. L'effet des lasers sur la largeur de raie est illustré sur un moniteur.
Fig. 1 : Illustration du schéma de détection à trois photons. Les lasers à 2260 nm et 895 nm sont propagés contre le laser à 636 nm à travers une cellule à vapeur de césium, puis la transmission à 895 nm est mesurée par une photodiode. L’annulation plus efficace du décalage Doppler illustrée dans ce schéma permet d’obtenir une largeur de raie beaucoup plus étroite, et donc une plus grande sensibilité.

Publications représentatives :

  1. « A read-out enhancement for microwave electric field sensing with Rydberg atoms, » J. P. Shaffer and H. Kübler, Proc. SPIE 10674, Quantum Technologies (2018).
  2. « Origins of Rydberg-atom electrometer transient response and its impact on radio-frequency pulse sensing, » S.M. Bohaichuk, D. Booth, Kent Nickerson, H. Tai, and J.P Shaffer, Physical Review Applied 18, 034030 (2022).
  3. « A Three-Photon Rydberg Atom-Based Radio Frequency Sensing Scheme with Narrow Linewidth, » S. M. Bohaichuk, F. Ripka, V. Venu, F. Christaller, C. Liu, M. Schmidt, H. Kübler and J. P. Shaffer, arXiv:2304.07409 [physics.atom-ph].
  4. « Rydberg atom-based radio frequency sensors: amplitude regime sensing, » Rydberg atom-based radio frequency sensors: amplitude regime sensing

Organismes de financement :

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