Radiação Terahertz

A radiação terahertz (THz), parte do espectro eletromagnético, está posicionada na fronteira entre eletrônicos e óptica, situada entre micro-ondas (usadas, por exemplo, em Wi-Fi) e infravermelho. Embora tenha um imenso potencial para aplicações que incluem inspeção de pacotes sem raios-X prejudiciais, comunicação supersônica 6G e espectroscopia e imagem de compostos orgânicos, transformar esse potencial em medições precisas e sensíveis tem sido tecnicamente muito difícil. Nos últimos anos, os cientistas fizeram grandes avanços tanto na geração quanto na detecção de radiação terahertz, mas até agora não conseguiram medir um comb de frequência nesta região com a precisão necessária.

Combs de Frequência como Réguas Eletromagnéticas Ultra-Precisas

Por que isso é tão importante? Combs de frequência, que ganharam um Prêmio Nobel em 2005, podem ser imaginados como uma régua incrivelmente precisa feita não de um material sólido, mas de luz ou ondas de rádio. Em vez de marcações de milímetros, há uma sequência de linhas espaçadas uniformemente (“dentes”) em frequências estritamente definidas. Esta “régua eletromagnética” permite que os físicos determinem a frequência de um sinal desconhecido com uma precisão extraordinária, simplesmente observando qual “dente” ele corresponde. Por causa disso, os combs de frequência atuam como padrões de referência que podem ser usados para calibrar e estabilizar muitos tipos de instrumentos em uma ampla gama de frequências. Dependendo de onde esse padrão sitúa no espectro eletromagnético, os cientistas falam sobre combs de frequência ópticos, de rádio ou terahertz.

Combs de frequência terahertz são particularmente atraentes porque podem suportar calibração e medições altamente precisas em uma faixa onde as frequências de oscilação são mais altas do que as ondas de rádio típicas, mas mais baixas do que as ondas ópticas (luz). No entanto, tais combs são notoriamente difíceis de medir com alta precisão, uma vez que suas oscilações são rápidas demais para a eletrônica convencional e não podem ser capturadas diretamente com métodos ópticos padrão. Pesquisadores conseguiram determinar o espaçamento entre os “dentes” do comb e medir a potência total distribuída pelo espectro, mas determinar quanta potência pertence a um único dente permaneceu um grande desafio.

Átomos de Rydberg Transformados em Antenas Quânticas

Os cientistas da Faculdade de Física e do Centro de Tecnologias Ópticas Quânticas no Centro de Novas Tecnologias da Universidade de Varsóvia agora superaram esse obstáculo e, pela primeira vez, mediram o sinal emitido por um único dente de um comb terahertz. Para alcançar isso, eles empregaram um gás de átomos de rubídio preparados em um estado de Rydberg. Um átomo de Rydberg é definido como tendo um único elétron excitado para uma órbita muito alta ao ser iluminado com lasers ajustados precisamente. Este átomo “inchado” atua como uma antena quântica extremamente sensível a campos elétricos externos. Além disso, ao usar lasers ajustáveis, o detector pode ser ajustado para responder a uma frequência específica dentro desse campo, em uma gama que se estende até ondas terahertz.

Tradicionalmente, na eletrometria de Rydberg, o fenômeno de divisão de Autler-Townes é utilizado para medir o campo elétrico. Sua enorme vantagem é que o resultado da medição depende apenas de constantes atômicas fundamentais, fornecendo uma leitura absolutamente calibrada. Ao contrário das antenas clássicas, que exigem calibrações trabalhosas em laboratórios de rádio especializados, o sistema baseado em átomos é, de certa forma, um padrão por si só. Além disso, graças à riqueza de estados energéticos no átomo, tal sensor pode ser ajustado quase continuamente em uma enorme faixa, desde um sinal de corrente contínua (DC) até o terahertz mencionado anteriormente.

Conversão Híbrida de Terahertz para Luz para Sensibilidade Extrema

No entanto, esse método tem uma limitação: por si só, não é sensível o suficiente para registrar sinais terahertz muito fracos. Para remediar isso, a equipe de pesquisa aplicou adicionalmente uma técnica de conversão de ondas de rádio para luz, inventada na Universidade de Varsóvia, e a adaptou às necessidades da radiação terahertz. Nesse processo, o fraco sinal terahertz é convertido em fótons ópticos, que podem então ser detectados com imensa sensibilidade usando contadores de fótons únicos. Esta abordagem híbrida é a chave para o sucesso: combina a extrema sensibilidade da detecção de fótons com a capacidade de “recuperar” as capacidades de calibração do método de Autler-Townes, mesmo para os sinais mais fracos.

O sensor baseado em átomos de Rydberg possui todas as características necessárias para realizar uma calibração precisa de combs de frequência: ele pode ser ajustado para um único dente do comb e, em seguida, re-ajustado para o próximo, e assim por diante. Os cientistas conseguiram observar várias dezenas de dentes em uma faixa de frequência muito ampla. Além disso, graças ao conhecimento das propriedades fundamentais dos átomos, o comb foi calibrado diretamente, determinando precisamente sua intensidade.

Um Novo Caminho para Metrologia Terahertz e Tecnologias Futuras

Os resultados obtidos pelos físicos da Universidade de Varsóvia, Wiktor Krokosz, Jan Nowosielski, Bartosz Kasza, Sebastian Borówka, Mateusz Mazelanik, Wojciech Wasilewski e Michał Parniak, representam muito mais do que o desenvolvimento de um novo detector sensível. Seu trabalho estabelece as bases para uma nova área de metrologia. Com a ajuda de átomos de Rydberg, os usos transformadores dos combs de frequência óptica agora podem ser estendidos para a região terahertz, que era anteriormente difícil. Importante ressaltar, ao contrário de muitas tecnologias quânticas que exigem temperaturas extremamente baixas, este sistema funciona à temperatura ambiente, o que reduz significativamente os custos e torna a futura comercialização mais realista. Isso cria uma oportunidade para construir padrões de medição de referência para a próxima geração de tecnologias terahertz.

O projeto “Tecnologias Ópticas Quânticas” (FENG.02.01-IP.05-0017/23) está sendo implementado como parte da Medida 2.1 Agendas de Pesquisa Internacional da Fundação para a Ciência da Polônia, co-financiado pela União Europeia a partir da Prioridade 2 do Programa de Fundos Europeus para a Economia Moderna 2021-2027 (FENG). A pesquisa também é um dos resultados dos projetos SONATA17 e PRELUDIUM23 financiados pelo Conselho Nacional de Ciências.)