Simultaneous SI-traceable measurement of the amplitude and the ellipticity of microwave fields with cold Rydberg atoms

في عالم موجات الراديو والميكروويف غير المرئي، غالباً ما تُعامل الإشارات التي تحمل بياناتنا وتوجه أنظمة الرادار لدينا كأنها مجرد موجات بسيطة ومنتظمة. ومع ذلك، تمتلك هذه الموجات تعقيداً خفياً: إذ يمكنها الالتواء والدوران في الفضاء، وهي خاصية تُعرف بالاستقطاب. إن فهم كيفية توجيه الموجة بدقة ومدى قوة دفعها للمادة أمر بالغ الأهمية لكل شيء، بدءاً من تحسين شبكات الاتصالات وصولاً إلى معايرة المستشعرات التي تراقب بيئتنا. لعقود من الزمن، سعى العلماء لإيجاد وسيلة لقياس هذه الخصائص بدقة مطلقة، بالاعتماد على الثوابت الأساسية للطبيعة بدلاً من الأجهزة الإلكترونية الهشة التي تنجرف بمرور الوقت. ويكمن مفتاح هذا السعي في الذرة نفسها، وتحديداً في حالة خاصة تسمى "حالة ريدبرج" (Rydberg state). فعندما تُدفع الذرة إلى هذه الحالة، يدور إلكترونها الخارجي بعيداً عن النواة، مما يجعل الذرة بأكملها ضخمة وحساسة للغاية حتى لأضعف المجالات الكهربائية. وتحول هذه الحساسية الذرة إلى مسطرة طبيعية ذاتية المعايرة للمجالات الكهرومغناطيسية، قادرة على قياسها بمستوى من الدقة يعود مباشرة إلى النظام الدولي للوحدات.

لقد أثبت فريق من الباحثين في المركز الوطني الفرنسي للأبحاث في مجال الطيران (ONERA) في فرنسا الآن طريقة جديدة قوية لاستخدام هذه الذرات العملاقة كمستشعر مزدل الغرض. فقد نجحوا في قياس كل من قوة وشكل مجالات الميكروويف في آن واحد، محققين مستوى من الدقة كان من الصعب بلوغه سابقاً. ومن خلال حجز سحابة مكونة من حوالي خمسين مليون ذرة روبيديوم في مساحة لا تتجاوز حجم حبة رمل، خلق العلماء مختبراً موضعياً للغاية حيث استطاعوا سبر مستويات طاقة الذرات بعناية فائقة. لقد سلطوا ضوء الليزر على الذرات لرفعها إلى حالة "ريدبرج"، ثم عرضوها للميكروويف. وقد أدى التفاعل بين الميكروويف والذرات إلى انقسام وانزياح مستويات الطاقة في نمط يعتمد كلياً على قوة المجال الكهربائي للميكروويف واستقطابه. ومن خلال مراقبة عدد الذرات التي فُقدت من المصيدة — وهي عملية تحدث عندما تتأين الذرات بفعل البيئة المحيطة — تمكن الباحثون من رسم خريطة لهذه الانزياحات الطاقية بدقة عالية.

كشفت التجربة أن الذرات عملت ككاشف مثالي لهندسة الموجة. فعندما كان مجال الميكروويف خطياً تماماً، أظهرت الذرات انقساماً بسيطاً من جزأين في مستويات طاقتها. وعندما كان المجال دائرياً تماماً، تغير النمط إلى ثلاثة مستويات متميزة. وفي الحالة الأكثر شيوعاً، وهي الموجة الإهليلجية (البيضاوية)، التي تعد مزيجاً من الاثنين، أظهرت الذرات أربعة مستويات طاقة منفصلة. ووجد الباحثون أنه من خلال التحليل الدقيق للمسافات بين هذه المستويات، استطاعوا حساب القوة الدقيقة للمجال الكهربائي ودرجة الإهليلجية بدقة تقارب الواحد بالمائة. وقد تم الحفاظ على هذه الدقة حتى عندما كانت قدرة الميكروويف عالية، وهو ظرف يؤدي عادةً إلى تشويش القياسات في الأنظمة الأكبر. وقد اعتمد نجاح هذا النهج على الحجم الضئيل للسحابة الذرية؛ فبسبب صغر حجم السحابة مقارلة بطول موجة الميكروويف، ظل المجال منتظماً عبر المجموعة بأكملها، مما منع تشتت البيانات الذي يعاني منه المستشعرات الأكبر حجماً.

ولضمان عدم انحراف قياساتهم بسبب تأثيرات فيزيائية دقيقة، توجب على الفريق مراعاة تأثير حالات الطاقة المجاورة التي قد تلامسها موجات الميكروويف لفترة وجيزة، حتى لو لم تكن متوافقة معها تماماً. ومن خلال تضمين هذه التفاعلات الطفيفة في حساباتهم، تمكنوا من التصحيح لبعض الانحيازات الصغيرة والتأكد من أن طريقتهم قدمت رؤية غير منحازة للمجال. لقد اختبروا نظامهم باستخدام ثلاثة أنواع مختلفة من الاستقطاب، بما في ذلك موجة شبه دائرية وأخرى شبه إهليلجية، ووجدوا أن توقعاتهم النظرية تطابقت مع النتائج التجريبية بشكل شبه مثالي. وفي حالة بارزة، تمكنوا من رصد انحراف ضئيل عن الاستقطاب الدائري المثالي، وهو تفصيل دقيق كان سيظل غير مرئي للأجهزة الأقل حساسية. وتشير هذه القدرة على حل مثل هذه التفاصيل الدقيقة إلى أن الطريقة يمكنها التمييز بين الموجات التي هي تقريباً، ولكن ليست تماماً، في شكل مثالي.

كما استكشف الباحثون كيف أثر اتجاه أشعة الليزر المستخدمة لإثارة الذرات على وضوح هذه الإشارات. واكتشفوا أن الزاوية التي تصل بها موجات الميكروويف إلى الذرات تؤثر على وضوح السمات الطيفية، وأن ملاحظاتهم تماشت وثيقاً مع النماذج النظرية. وقد سمح هذا الاتفاق باستنتاج الزوايا المحتملة التي كانت تصطدم بها موجات الميكروويف بالسحابة، مما عزز صحة تقنيتهم. وتؤكد الدراسة أن استخدام تجمع من الذرات الباردة والمحبوسة يوفر طريقة موثوقة لقياس مجالات الميكروويف دون الحاجة إلى مكونات إلكترونية معقدة أو مذيبات محلية (local oscillators) يمكن أن تسبب أخطاءها الخاصة. ومن خلال العمل ضمن نظام "أوتلر-تاونز" (Autler-Townes regime)، حيث يكون التفاعل بين الضوء والذرات قوياً ومحدداً بدقة، أقام الفريق رابطاً مباشراً بين الأنماط الطيفية المرصودة والخصائص الأساسية للمجال الكهرومغناطيسي.

يمثل هذا العمل خطوة كبيرة للأمام في مجال القياس الكمي (quantum metrology)، حيث يثبت أن ذرات "ريدبرج" يمكن أن تعمل كأداة متعددة الاستخدامات لتوصيف الموجات الكهرومغناطيسية بدقة قابلة للتتبع وفقاً للنظام الدولي للوحدات (SI). إن القدرة على قياس كل من السعة والإهليلجية في آن واحد في إعداد واحد مدمج تفتح الباب أمام معايرة أكثر دقة لأنظمة الرادار وأجهزة الاتصالات. وقد أظهر الباحثون أنه من خلال إبقاء حجم القياس صغيراً والذرات باردة، استطاعوا التغلب على قيود عدم التجانس المكاني التي غالباً ما تعيق قياسات القدرة العالية. وتشير نتائجهم إلى أن هذا النهج ليس دقيقاً فحسب، بل هو قابل للتكيف أيضاً مع نطاقات ترددات مختلفة، مما يجعله مرشحاً واعداً للتطبيقات المستقبلية في الاستشعار والقياس. وتعد الدراسة برهاناً واضحاً على أن الخصائص الكمية للذرات يمكن تسخيرها لتوفير نافذة على العالم غير المرئي للمجالات الكهرومغناطيسية، مما يقدم مستوى من الوضوح والموثوقية تجد المستشعرات الإلكترونية صعوبة في مضاهاته.