論文の概要: Room temperature single-photon terahertz detection with thermal Rydberg atoms

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2403.05833v1
• Date: Sat, 9 Mar 2024 08:30:35 GMT
• ステータス: 処理完了
• システム内更新日: 2024-03-13 12:15:38.038878
• Title: Room temperature single-photon terahertz detection with thermal Rydberg atoms
• Title（参考訳）: 熱Rydberg原子を用いた室温単一光子テラヘルツ検出
• Authors: Danyang Li, Zhengyang Bai, Xiaoliang Zuo, Yuelong Wu, Jiteng Sheng, and Haibin Wu
• Abstract要約: 単一光子テラヘルツ(THz)検出は様々な分野において最も要求の高い技術の一つであり、多くのブレークスルーをもたらす可能性がある。 ここでは, 熱Rydberg原子蒸気中の非線形波の混合に基づく室温THz検出器を, 単光子レベルで初めて実証する。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 8.625885970682884
• License: http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
• Abstract: Single-photon terahertz (THz) detection is one of the most demanding technology for a variety of fields and could lead to many breakthroughs. Although its significant progress has been made in the last two decades, operating it at room temperature still remains a great challenge. Here, we demonstrate, for the first time, the room temperature THz detector at single-photon levels based on nonlinear wave mixing in thermal Rydberg atomic vapor. The low-energy THz photons are coherently upconverted to the high-energy optical photons via a nondegenerate Rydberg state involved six-wave-mixing process, and therefore, the single-photon THz detection is achieved by a conventional optical single-photon counting module. The noise equivalent power of such a detector is reached to be 9.5*10^-19 W/Hz^1/2, which is more than four orders of magnitude lower than the state-of-the-art room temperature THz detectors. The optimum quantum efficiency of the whole wave-mixing process is about 4.3% with 40.6 dB dynamic range, and the maximum conversion bandwidth is 172 MHz, which is all-optically controllable. The developed fast and continuous-wave single-photon THz detector at room temperature operation has a great potential to be portable and chip-scale, and could be revolutionary for a wide range of applications in remote sensing, wireless communication, biomedical diagnostics, and quantum optics.
• Abstract（参考訳）: 単一光子テラヘルツ(THz)検出は様々な分野において最も要求の高い技術の一つであり、多くのブレークスルーをもたらす可能性がある。 過去20年で大きな進歩を遂げたものの、室温で運用することは依然として大きな課題である。 ここでは, 熱Rydberg原子蒸気中の非線形波の混合に基づく室温THz検出器を, 単光子レベルで初めて実証する。 低エネルギーthz光子は6波長混合過程を含む非退化rydberg状態を介して高エネルギー光光子とコヒーレントに変換されるため、従来の光単光子計数モジュールにより単一光子thz検出を実現する。 このような検出器のノイズ等価電力は9.5*10^-19 W/Hz^1/2であり、これは最先端の室温THz検出器よりも4桁以上低い。 波動混合プロセス全体の最適量子効率は40.6dBのダイナミックレンジで約4.3%であり、最大変換帯域幅は172MHzであり、全光制御可能である。 室温動作における高速かつ連続波単光子型THz検出器の開発は、ポータブルでチップ規模の大きな可能性を秘めており、リモートセンシング、無線通信、バイオメディカル診断、量子光学の幅広い応用に革命をもたらす可能性がある。

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