Đo điện trường tần số thấp với độ chính xác cao vẫn là một thách thức đáng kể. Các công nghệ cảm biến hiện có thường không thể cung cấp khả năng truy xuất nguồn gốc, thiết kế nhỏ gọn và khả năng phát hiện hướng trường tất cả trong một hệ thống.

Các nguyên tử Rydberg đang thu hút sự chú ý trong đo lường lượng tử điện trường vì chúng có mômen lưỡng cực điện lớn và hành vi của chúng có thể gắn liền với các tính chất nguyên tử được xác định rõ ràng. Hầu hết các phương pháp hiện tại để phát hiện điện trường tần số thấp hoặc DC bằng cách sử dụng nguyên tử Rydberg dựa vào quang phổ trong suốt cảm ứng điện từ (EIT) của tế bào hơi.

Tuy nhiên, kỹ thuật này bị hạn chế bởi các đặc tính khối lượng lớn của khí. Các hiệu ứng như mở rộng Doppler, mở rộng va chạm và trung bình tổng hợp làm giảm độ chính xác của phép đo. Những yếu tố này cũng làm cho việc thăm dò các trường ở quy mô của các nguyên tử riêng lẻ và xác định hướng của chúng một cách chính xác trở nên khó khăn hơn.

Một cách tiếp cận mới sử dụng chuỗi nguyên tử

Các nhà nghiên cứu tại Đại học Công nghệ Nanyang (NTU) ở Singapore đã giới thiệu một phương pháp mới để cảm nhận điện trường vectơ tần số thấp bằng cách sử dụng một chuỗi các nguyên tử Rydberg tương tác.

Trong hệ thống này, một điện trường bên ngoài làm thay đổi hướng của trục lượng tử hóa nguyên tử. Sự thay đổi này thay đổi cách các nguyên tử tương tác thông qua trao đổi lưỡng cực phụ thuộc vào góc, cho phép cả cường độ và hướng của trường được mã hóa trong động lực học tập thể của các nguyên tử.

Nhóm nghiên cứu đã phát triển một khuôn khổ thống nhất được xây dựng xung quanh ba tín hiệu có thể đo lường được. Chúng bao gồm thời gian đến kích thích liên quan đến động lực lan truyền, phổ Ramsey gắn với các chế độ riêng của hệ thống và phổ truyền miền tần số bắt nguồn từ phân tích hàm của Green. Cùng với nhau, các phép đo này thu thập thông tin về điện trường qua các miền thời gian, năng lượng và tần số.

Hướng tới cảm biến lượng tử nhỏ gọn

Cách tiếp cận này cung cấp một con đường thực tế hướng tới cảm biến điện trường tần số thấp kết hợp khả năng truy xuất nguồn gốc, độ phân giải không gian ở quy mô micromet và độ nhạy với hướng trường. Nó cũng gợi ý một cách để xây dựng các cảm biến điện trường nhỏ gọn, có thể lập trình cho các ứng dụng trong tương lai.