Uma equipe da Faculdade de Física e do Centro de Tecnologias Ópticas Quânticas do Centro de Novas Tecnologias da Universidade de Varsóvia desenvolveu um novo método para medir sinais de terahertz difíceis de detectar, utilizando uma "antena quântica".

Os autores do trabalho utilizaram uma configuração inovadora para detecção de ondas de rádio com átomos de Rydberg, não apenas para detectar, mas também para calibrar com precisão um chamado pente de frequências na faixa de terahertz. Essa faixa era, até recentemente, um ponto cego no espectro eletromagnético, e a solução descrita na revista Optica abre caminho para a espectroscopia ultrassensível e uma nova geração de sensores quânticos operando em temperatura ambiente.

A radiação de terahertz (THz), por fazer parte do espectro eletromagnético, situa-se na fronteira entre a eletrônica e a óptica, posicionando-se entre as micro-ondas (usadas, por exemplo, no Wi-Fi) e o infravermelho.

Embora possua um imenso potencial — desde a inspeção de embalagens sem raios X nocivos, passando pela comunicação ultrarrápida 6G, até a espectroscopia e o imageamento de compostos orgânicos — seu uso prático para medições precisas e sensíveis ainda representa um desafio técnico significativo. Os últimos anos trouxeram enormes avanços tanto na detecção quanto na geração dessa radiação, mas a medição precisa de um pente de frequências ainda não havia sido alcançada.

Por que isso é tão importante? Os pentes de frequência, que ganharam o Prêmio Nobel em 2005, são mais facilmente visualizados como uma régua extremamente precisa, mas criada a partir de luz ou ondas de rádio. Em vez de marcações em milímetros, eles possuem uma série de linhas uniformemente espaçadas ("dentes") em frequências estritamente definidas.

Esta "régua eletromagnética" permite que os físicos meçam a frequência de um sinal desconhecido com extrema precisão — simplesmente verificando com qual "dente" da régua o sinal se alinha. Como resultado, os pentes de frequência servem como padrão de referência para calibrar e ajustar outros dispositivos em uma ampla faixa de frequências. Dependendo de onde essa régua se encontra no espectro eletromagnético, nos referimos a pentes de frequência ópticos, de rádio ou de terahertz.

Os pentes de frequência em terahertz são particularmente interessantes porque possibilitariam a calibração e, consequentemente, medições mais precisas em uma faixa de frequência significativamente mais alta (oscilação mais rápida) do que as ondas de rádio, porém mais baixa do que as ondas ópticas (luz). No entanto, esse tipo de pente é difícil de medir com precisão — é rápido demais para a eletrônica moderna e, ao mesmo tempo, não pode ser registrado por métodos ópticos.

Embora seja possível determinar o espaçamento entre os dentes do pente e medir a potência total emitida em todo o espectro, tem sido um desafio determinar a contribuição de potência de um único dente.

Os cientistas da Faculdade de Física e do Centro de Tecnologias Ópticas Quânticas do Centro de Novas Tecnologias da Universidade de Varsóvia superaram com sucesso essa limitação e mediram, pela primeira vez, o sinal emitido por um único dente de um pente de terahertz. Para isso, utilizaram um gás de átomos de rubídio em 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 precisamente sintonizados. Esse átomo "inchado" torna-se uma antena quântica, extremamente sensível a campos elétricos externos. Além disso, usando lasers sintonizáveis, ele pode ser sintonizado para uma frequência específica de tal campo, em uma faixa que se estende até ondas de terahertz.

Tradicionalmente, na eletrometria de Rydberg, o fenômeno do desdobramento de Autler-Townes é usado para medir o campo elétrico. Sua grande 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 calibração trabalhosa em laboratórios de rádio especializados, o sistema baseado em átomos é, em certo sentido, um padrão em si mesmo. Além disso, graças à riqueza de estados de energia no átomo, tal sensor pode ser sintonizado quase continuamente em uma faixa enorme — desde um sinal de corrente contínua (CC) até o já mencionado terahertz.

No entanto, esse método tem uma limitação: por si só, não é sensível o suficiente para registrar sinais de terahertz muito fracos. Para remediar isso, a equipe de pesquisa aplicou adicionalmente uma técnica de conversão de ondas de rádio em luz, inventada na Universidade de Varsóvia, e a adaptou às necessidades da radiação de terahertz.

Nesse processo, o sinal fraco de terahertz é convertido em fótons ópticos, que podem então ser detectados com imensa sensibilidade usando contadores de fóton único. Essa abordagem híbrida é a chave para o sucesso: ela 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 pentes de frequência: ele pode ser sintonizado em um único dente do pente e, em seguida, reajustado para o próximo, e assim por diante. Os cientistas conseguiram observar várias dezenas de dentes em uma faixa de frequência muito ampla dessa maneira. Além disso, graças ao conhecimento das propriedades fundamentais dos átomos, o pente foi calibrado diretamente, determinando com precisão sua intensidade.

Os resultados obtidos pelos físicos da Universidade de Varsóvia, Wiktor Krokosz, Jan Nowosielski, Bartosz Kasza, Sebastian Borówka, Mateusz Mazelanik, Wojciech Wasilewski e Micha? Parniak, são mais do que apenas mais um detector sensível. Eles representam a base para um novo ramo da metrologia. Graças às vantagens dos átomos de Rydberg, as aplicações revolucionárias dos pentes de frequência óptica podem agora ser transferidas para o domínio do terahertz, até então difícil de alcançar.

Fundamentalmente, ao contrário de muitas tecnologias quânticas que exigem temperaturas extremamente baixas, o sistema desenvolvido opera à temperatura ambiente, o que reduz drasticamente os custos e facilita a futura comercialização. Isso abre caminho para a criação de padrões de medição de referência para a próxima era das tecnologias de terahertz.