Un détecteur à atomes de Rydberg conquiert une nouvelle frontière spectrale

Une équipe de chercheurs polonais a développé une nouvelle méthode pour mesurer les signaux térahertz insaisissables en utilisant une « antenne quantique ». Les auteurs de l’étude ont utilisé un nouveau dispositif de détection d’ondes radio avec des atomes de Rydberg pour non seulement détecter, mais aussi calibrer avec précision un peigne de fréquences dans la bande térahertz. Cette bande était jusqu’à récemment une zone blanche du spectre électromagnétique, et la solution décrite dans la prestigieuse revue Optica ouvre la voie à une spectroscopie ultrasensible et à une nouvelle génération de capteurs quantiques fonctionnant à température ambiante.

Le rayonnement térahertz (THz), faisant partie du spectre électromagnétique, se situe à la frontière de l’électronique et de l’optique, positionné entre les micro-ondes (utilisées, par exemple, dans le Wi-Fi) et l’infrarouge. Bien qu’il présente un potentiel immense – de l’inspection de colis sans rayons X nocifs, en passant par la communication 6G ultra-rapide, jusqu’à la spectroscopie et l’imagerie de composés organiques – son utilisation pratique pour des mesures précises et sensibles reste un défi technique majeur. Ces dernières années ont apporté d’énormes progrès tant dans la détection que dans la génération de ce rayonnement, mais la mesure précise d’un peigne de fréquences n’avait pas été réalisée jusqu’à présent.

Pourquoi est-ce si important ? Les peignes de fréquences, qui ont valu un prix Nobel en 2005, sont plus facilement visualisés comme une règle extrêmement précise, mais créée à partir de lumière ou d’ondes radio. Au lieu de graduations millimétriques, on a une série de raies uniformément espacées (« dents ») à des fréquences strictement définies. Cette « règle électromagnétique » permet aux physiciens de mesurer la fréquence d’un signal inconnu avec une extrême précision – simplement en vérifiant avec quelle « dent » de la règle le signal s’aligne. En conséquence, les peignes servent d’étalon de référence pour calibrer et régler d’autres appareils sur une très large plage. Selon l’endroit du spectre électromagnétique où se trouve cette règle, on parle de peignes de fréquences optiques, radio ou térahertz.

Les peignes de fréquences térahertz sont particulièrement intéressants car ils permettraient l’étalonnage et, par conséquent, des mesures plus précises dans une gamme de fréquences significativement plus élevée (oscillant plus vite) que les ondes radio, mais plus basse que les ondes optiques (lumière). Cependant, ce type de peigne est difficile à mesurer avec précision – il est trop rapide pour l’électronique moderne et, en même temps, ne peut pas être enregistré avec des méthodes optiques. Bien que l’espacement entre les dents du peigne puisse être déterminé, et que la puissance totale émise sur le spectre puisse être mesurée, il a été difficile de déterminer la contribution en puissance d’une seule dent.

Les scientifiques de la Faculté de Physique et du Centre des Technologies Optiques Quantiques du Centre des Nouvelles Technologies de l’Université de Varsovie ont surmonté avec succès cette limitation et mesuré pour la première fois le signal émis par une seule dent d’un peigne térahertz. Pour ce faire, ils ont utilisé un gaz d’atomes de rubidium dans un état de Rydberg. Un atome de Rydberg est défini comme ayant un seul électron excité vers une orbite très élevée en étant illuminé par des lasers précisément réglés. Cet atome « gonflé » devient une antenne quantique, extrêmement sensible aux champs électriques externes. De plus, en utilisant des lasers accordables, il peut ensuite être réglé sur une fréquence spécifique d’un tel champ, dans une plage s’étendant jusqu’aux ondes térahertz.

Traditionnellement, en électrométrie de Rydberg, le phénomène de dédoublement d’Autler-Townes est utilisé pour mesurer le champ électrique. Son énorme avantage est que le résultat de la mesure ne dépend que de constantes atomiques fondamentales, fournissant une lecture absolument calibrée. Contrairement aux antennes classiques, qui nécessitent un étalonnage laborieux dans des laboratoires radio spécialisés, le système basé sur les atomes est, en un sens, un étalon en lui-même. De plus, grâce à la richesse des états énergétiques de l’atome, un tel capteur peut être accordé presque continûment sur une plage énorme – d’un signal de courant continu (DC) jusqu’aux térahertz susmentionnés.

Cependant, cette méthode a une limitation : en elle-même, elle n’est pas assez sensible pour enregistrer des signaux térahertz très faibles. Pour y remédier, l’équipe de recherche a en outre appliqué une technique de conversion d’ondes radio en lumière inventée à l’Université de Varsovie et l’a adaptée aux besoins du rayonnement térahertz. Dans ce processus, le faible signal térahertz est converti en photons optiques, qui peuvent ensuite être détectés avec une immense sensibilité à l’aide de compteurs de photons uniques. Cette approche hybride est la clé du succès : elle combine l’extrême sensibilité de la détection de photons avec la capacité de « récupérer » les capacités d’étalonnage de la méthode d’Autler-Townes même pour les signaux les plus faibles.

Le capteur basé sur les atomes de Rydberg possède toutes les caractéristiques nécessaires pour effectuer un étalonnage précis du peigne de fréquences : il peut être accordé sur une seule dent du peigne, puis réaccordé sur la suivante, et ainsi de suite. Les scientifiques ont réussi à observer plusieurs dizaines de dents sur une très large gamme de fréquences de cette manière. De plus, grâce à la connaissance des propriétés fondamentales des atomes, le peigne a été directement étalonné, déterminant précisément son intensité.

Les résultats obtenus par les physiciens de l’Université de Varsovie Wiktor Krokosz, Jan Nowosielski, Bartosz Kasza, Sebastian Borówka, Mateusz Mazelanik, Wojciech Wasilewski et Michał Parniak sont plus qu’un simple détecteur sensible de plus. Ils sont le fondement d’une nouvelle branche de la métrologie. Grâce aux avantages des atomes de Rydberg, les applications révolutionnaires des peignes de fréquences optiques peuvent désormais être transférées au domaine térahertz, jusqu’ici difficile. Fait crucial, contrairement à de nombreuses technologies quantiques nécessitant des températures extrêmement basses, le système développé fonctionne à température ambiante, ce qui réduit drastiquement les coûts et facilite la future commercialisation. Cela ouvre la porte à la création d’étalons de mesure de référence pour l’ère à venir des technologies térahertz.