微波測量靈敏度提高1000倍！山西大學在微波精密測量領域取得突破性進展

2020-10-25 科技日報

科技日報記者 王海濱

山西大學雷射光譜研究所賈鎖堂教授和肖連團教授帶領團隊，在國際上首次實現裡德堡原子微波超外差接收機樣機，極大提升了微波電場場強的探測靈敏度，微波測量靈敏度達55nV/(cm·Hz1/2)，優於之前國際最好水平【Nat. Phys. 8, 819–824 (2012)】1000倍，最小可探測微波場強約400pV/cm，優於之前國際最好水平10000倍。

該團隊的相關研究成果「Atomic superheterodyne receiver based on microwave-dressed Rydberg spectroscopy」於2020年9月發表於Nature Physics (自然·物理學)。論文第一作者為博士研究生景明勇、共同第一作者為胡穎教授，通訊作者為張臨傑教授和肖連團教授，研究人員還包括馬傑教授、張好副教授。

微波是人類觀察世界的另一隻「眼睛」，利用微波遙感技術可以測繪人類難以涉足地區的地形地貌、探索廣袤神秘的宇宙太空。

經典微波測量方法通過微波誘導金屬中自由電子產生有規律的感應電流來提取微波電場的信息。然而金屬中的自由電子具有隨機熱運動特性在感應電流中引入隨機熱噪聲，這是經典微波測量方法實現超高靈敏度探測難以突破的瓶頸。

山西大學團隊提出的基於可控原子體系的微波超外差測量新原理和新技術，從根本上避免了經典微波測量方法中自由電子隨機熱噪聲的影響。他們提出了基於可控裡德堡綴飾態與微波電場相干耦合新原理，完成了Hz量級超窄線寬雷射的大範圍連續可調諧、相位及強度噪聲壓縮等技術攻關，實現了裡德堡量子態精確製備和操控。他們的研究突破微波量子測量的場強和極化測量局限，實現了利用裡德堡原子對微波電場相位和頻率的測量。特別值得一提的是，他們完成了X波段雷達測速樣機的功能演示，最小速度解析度達到5μm/s (3mHz)，可用於對超低速度運動目標到超高速飛行器的探測。這種超外差極微弱微波電場的場強測量值具有良好的可溯源性。

肖連團教授對科技日報記者說，該項研究成果極大地推動了微波電場精密測量領域的發展，在國防安全、微波通信、量子計量、電子信息等領域具有重要的應用價值。

基於原子體系的微波精密測量原理圖

原子超外差測量的實驗系統。（受訪者供圖）

編輯：宋慈（實習）

審核：管晶晶

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