不用金属，原子也能当天线？看不见的电场如何被“翻译”成光

作者：贾春阳 | 物理所-量子院联合培养博士生 审核：常越 北京量子信息科学研究院副研究员

无线电波看不见，却每天都在我们身边穿梭。广播、手机、Wi-Fi、雷达，都要借助天线把空间中的电磁场变成可以处理的信号。

传统天线通常依赖金属导体，但近年来，研究者也开始用高度激发的里德堡原子感知射频和微波电场，并通过光学方法读出原子的响应。[1-3]

这听起来有些反常识：一团装在玻璃气室里的原子，为什么也能承担类似天线的功能？

看不见的电场，又是怎样一步步被“翻译”成光的？

一、天线一定得是金属的吗？

收音机上的伸缩杆、电视机的“兔耳朵”、藏在手机里的天线——我们熟悉的天线，几乎都离不开金属。

这当然有物理上的原因。广播、电视、手机通信、Wi-Fi、雷达中的天线，大多依靠导体与电磁场相互作用。

空间中的电磁波要进入电子设备，通常要先变成电路能够处理的电压或电流；天线就是完成这一步转换的部件。

真正需要关注的，其实不是天线长什么样，而是它怎样完成这种转换。

但这种转换一定需要金属吗？

电子电路不能直接“读”空间中的电磁场，它需要一个可测的电信号。传统天线给出的，就是随电磁场变化的电压和电流。

这样，空间中的电磁场就有了可以进入电路处理的信号形式。

如果把“天线”理解为一种感知电磁场并给出可读响应的装置，材料本身就不是唯一标准。

那么，一团原子能不能做到同样的事？

乍看很难。金属天线能直接产生电信号，玻璃气室里的原子却不会自己输出电压或电流。

要看清它们为什么仍能放在一起比较，先从最熟悉的金属天线说起：它到底在“听”什么？

图1 从金属天线到原子气室

二、传统天线到底在“听”什么？

答案是电磁场。无线电波传播时，电场和磁场都在随时间和空间变化。

对常见的金属接收天线来说，其中变化的电场会驱动导体里的自由电子。

电子的这种有序响应，最终表现为天线两端可测的电压和电流。

于是，看不见的电磁场在导体中留下了电路可以读取的痕迹：变化的电场驱动电荷运动，并最终形成可测量的电信号。

真实天线当然要复杂得多：尺寸、方向、工作频率、阻抗匹配以及周围环境都会影响接收效果。不过这些工程细节没有改变最基本的一步——先把电磁场变成电信号。

从测量角度看，电子究竟移动了多远并不重要；重要的是，外场能稳定地改变导体中的电荷状态，而且这种改变能够被读出来。

如果另一个物理系统也能在电场作用下产生稳定、可测的响应，它同样可以用于电场感知。

原子就是这样的系统。只是它记录电场的方式不再是自由电子在金属中的集体运动，而是内部量子状态的变化。

图二 电磁波怎样在天线中变成电信号

三、原子这么小，凭什么能感受到电场？

这里有个看似矛盾的地方：原子整体通常是电中性的，为什么还会对电场敏感？因为“总电荷为零”只说明正负电荷彼此抵消，并不意味着原子内部没有电荷，也不意味着这些电荷不会对外场作出响应。

原子核带正电，电子带负电。外界电场作用时，它们受到的作用方向不同，电子云相对原子核会发生微小偏移。原子整体仍然中性，但内部电荷分布已经被拉偏了——这就是极化，也可以理解为产生了电偶极响应。

到了量子力学里，这种响应会体现在能级上。一个典型例子是 Stark 效应：外电场改变原子的能量结构，使能级发生移动；在更复杂的情况下，也会出现分裂或混合。对于弱静电场和非简并态，能级位移通常与极化率和电场强度的平方有关。极化率越大，同样的电场越容易留下明显的能级变化。[1,6]

为什么这就能用来测电场？因为原子吸收或透过哪些频率的光，取决于量子态之间的能量差。能级一变，原子和光的相互作用也会跟着变。

普通原子也有这种效应，只是很多时候变化太小。要测更弱的电场，就需要一种更容易被电场扰动的原子状态。里德堡态正好具备这个特点。

里德堡原子指的是有一个电子被激发到很高主量子数的原子。与普通低激发态相比，它的电子波函数向外扩展得很大，直观上看，就是最外层电子分布得更远；与此同时，附近高激发态之间的能级间隔也更密。

因此，里德堡态对不同形式的电场都表现出很强的响应。面对缓慢变化或近似静态的电场，它具有很大的极化率，Stark 位移更明显；面对射频或微波电场，相邻里德堡态之间又有很大的跃迁电偶极矩，外场很容易驱动态间跃迁。也就是说，这种“敏感”具体体现在能级位移和态间耦合两类量子响应上。[1,6]

当射频频率接近两个里德堡态的能级差时，这种耦合会变得尤其强。此时外场不是简单地把一条能级推高或压低，而是把两个量子态相干地耦合在一起，形成新的缀饰态。后面光谱里出现的双峰，正是这件事留下的迹象。

因此，金属天线和里德堡原子虽然机制不同，都能把电场作用转化成可测响应：前者表现为电荷运动，后者表现为能级变化。

这也是把两者放在一起比较的真正理由。

但能级本身还是看不见。接下来要解决的，是怎样把这层变化读出来。这里用到的是光。

图三 普通原子与里德堡原子的电子分布

四、原子感受到了电场，怎样用光把它读出来？

原子能级不能直接看见，却能从原子对光的吸收和透射中读出来。激光像一把非常精细的频率尺：当光的频率与某个能级差匹配时，吸收或透射会明显改变。扫过一段频率并记录透射强度，就能得到一条反映能级结构的光谱。

里德堡电场测量常用的一种读出方法叫电磁诱导透明（Electromagnetically Induced Transparency，EIT）。先把原子想成三级阶梯：探测光连接低能态和中间激发态，耦合光再把中间态连接到里德堡态。两束光同时作用后，这三个能级会形成一个相干耦合的整体。

在合适的频率和相干条件下，两条激发路径的量子振幅会相消，原子进入一种几乎不占据强吸收中间态的相干叠加态。这里发生的不是两束激光在空间中互相抵消，而是原子内部不同跃迁路径之间的量子干涉。结果很特别：原本会被吸收的探测光，在一个很窄的频率范围内反而能够透过，吸收谱里就像开了一扇窄窄的“透明窗”。[4,5]

这扇窗的价值不只在于“变透明”，更重要的是它把里德堡态接到了光学读出上。只要里德堡能级发生位移、混合或耦合变化，维持透明的条件就会改变，EIT 窗口也会跟着移动、变宽、变形，甚至分裂。

不同电场留下的光谱痕迹并不一样。缓慢变化或与跃迁失谐的电场，常通过 Stark 效应造成能级移动，光谱会发生偏移或变形；当射频或微波场接近两个里德堡态的共振时，它会相干耦合这两个态，原先的共振对应到两个新的缀饰态，光谱上就可能出现 Autler–Townes（AT）劈裂。[2,3]

图 4 里的双峰就是后一种情况。射频场先改变里德堡态的能级结构，EIT 再把两个新的共振位置映射到探测光的透射谱上，于是我们看到两个峰。不是射频场把光“劈成两束”，而是原子的能级先被重组，光负责把结果显示出来。

题目里所说的“把电场翻译成光”，并不是电场真的变成了光，而是电场先改变里德堡原子的能级结构，EIT 再把这种变化显示在透射光谱中，最后由光电探测器记录下来。

从传感角度看，这里实际完成了两次转换：先由电场改变原子，再由光把原子的变化读出来。射频电场的信息也因此进入了成熟的光学测量体系。

图四 电场怎样在EIT光谱中留下痕迹

五、看到光谱变化，就等于知道电场了吗？

还差一步。实验仪器直接给出的通常只是光谱曲线，或一段随时间变化的透射光强；真正想知道的却是电场有多强、何时出现、怎样变化。

前面建立的是电场到光谱的正向关系；真正测量时，还需要利用已经知道的对应关系，从光谱变化反推出电场。在数学上，这类从观测结果回到待测物理量的问题通常称为反演。这里的重点并不在于写出一个抽象公式，而在于找到可以稳定读取、又与电场有明确对应关系的光谱量。

以最典型的共振 AT 劈裂为例，射频场越强，两个里德堡态之间的耦合越强，双峰间距也越大。这个耦合强度通常用 Rabi 频率描述；在近共振、两能级近似下，ΩRF = μE/ℏ。其中，E 是待测电场，μ 是两个里德堡态之间的跃迁电偶极矩，ℏ 是约化普朗克常数。μ 由所选原子和量子态决定。

由所选原子和量子态决定。如果实验中能够读出 AT 双峰间距，就能先得到对应的 Rabi 频率，再利用已知的 μ 反推出 E。因此，实验上可以先由双峰间距得到 Rabi 频率，再结合已知的跃迁电偶极矩换算电场强度。实际换算 还要考虑激光扫描方式和具体能级结构。

AT 双峰清晰、近共振且模型适用时，劈裂越大通常意味着场越强；但峰距不能简单地和电场画等号。射频失谐、多普勒效应、扫描方式以及具体能级结构都会影响换算。

真实实验里，这些条件常常不能同时满足。激光线宽和频率漂移会把谱线抹宽，热原子的速度分布带来多普勒效应，玻璃气室和周围结构还会改变局部电场。场很弱时，两个 AT 峰甚至还没有真正分开。此时如果仍然硬套“峰间距”，算出的数字可能已经没有清楚的物理含义。看到一条曲线变了，和完成一次定量测量，是两回事。

要把光谱变化解释为可信的场强，还需要确认这种变化确实来自目标电场，并明确观测量与电场之间的换算关系及其适用范围。强场、双峰可分辨时可以量峰距；更弱的场则可能要利用线形、失谐响应，或加入参考场进行混频，把高频弱场变成更容易读取的低频拍频信号。

所以，数学在这里并不是额外增加一层处理，而是把已经建立的物理关系用于定量换算。前提是先知道哪些光谱特征可以使用，以及这些关系在什么条件下仍然成立。

图五 从光谱变化反推电场

六、科学测量，是给不可见世界找一种可靠表达

回到开头的问题：不用金属，原子也能当天线吗？

如果把天线限定为金属导体，原子当然不是天线；但如果看的是接收中的功能——感知电磁场，并把响应变成可读信息——里德堡原子确实可以作为一种“原子天线”或量子电场探针。[1,10]

传统金属天线把电磁场转成电压和电流；里德堡原子则让电场先改变能级，再从光谱中读出这种变化。两者材料和机制不同，但都在把电场变成可测的信号。

在弱场接收中，这种对应甚至可以延伸到超外差方法。传统射频接收让待测信号和本振混频，把高频信息搬到更容易处理的差频上；里德堡原子体系也能引入参考场或本振，让原子把高频电场的信息映射成更容易从光学信号中读取的低频拍频或差频响应。[7,8]

图 6 对比了这两种超外差思路。[9]它并不是原子电场测量的唯一方案，而是说明，即使感知电场的物理载体不同，一些成熟的接收思想仍然可以相通。

图六 同一种超外差思路，两种不同的接收方式

从金属中的电荷运动，到原子中的能级变化，真正没有改变的是测量的基本思路：先让目标物理量在一个敏感系统中产生响应，再把这种响应读出来。温度、磁场和光谱测量中，也能看到类似的过程。

里德堡原子电场测量也是如此。电场先改变原子，光再把这种变化带出来，最后依据已知的物理关系得到电场信息。原子之所以能够成为一种新的“天线”，并不是因为它像传统天线，而是因为它建立了另一条从电场到可读信号的路径。

很多科学测量其实也是这样：我们未必直接看见物理量本身，而是通过它留下的响应认识它。

参考文献

[1] Schlossberger N, Prajapati N, Berweger S, et al. Rydberg states of alkali atoms in atomic vapour as SI-traceable field probes and communications receivers. Nature Reviews Physics, 2024, 6: 606-620. DOI: 10.1038/s42254-024-00756-7.

[2] Sedlacek J A, Schwettmann A, Kübler H, Löw R, Pfau T, Shaffer J P. Microwave electrometry with Rydberg atoms in a vapour cell using bright atomic resonances. Nature Physics, 2012, 8: 819-824. DOI: 10.1038/nphys2423.

[3] Holloway C L, Gordon J A, Jefferts S R, et al. Broadband Rydberg atom-based electric-field probe for SI-traceable, self-calibrated measurements. IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 2014, 62(12): 6169-6182. DOI: 10.1109/TAP.2014.2360208.

[4] Fleischhauer M, Imamoglu A, Marangos J P. Electromagnetically induced transparency: Optics in coherent media. Reviews of Modern Physics, 2005, 77: 633-673. DOI: 10.1103/RevModPhys.77.633.

[5] Mohapatra A K, Jackson T R, Adams C S. Coherent optical detection of highly excited Rydberg states using electromagnetically induced transparency. Physical Review Letters, 2007, 98: 113003. DOI: 10.1103/PhysRevLett.98.113003.

[6] Fan H, Kumar S, Sedlacek J, Kübler H, Karimkashi S, Shaffer J P. Atom based RF electric field sensing. Journal of Physics B: Atomic, Molecular and Optical Physics, 2015, 48(20): 202001. DOI: 10.1088/0953-4075/48/20/202001.

[7] Gordon J A, Simons M T, Haddab A H, Holloway C L. Weak electric-field detection with sub-1 Hz resolution at radio frequencies using a Rydberg atom-based mixer. AIP Advances, 2019, 9: 045030. DOI: 10.1063/1.5095633.

[8] Holloway C L, Simons M T, Haddab A H, Gordon J A. A Rydberg atom-based mixer: Measuring the phase of a radio frequency wave. Applied Physics Letters, 2019, 114: 114101. DOI: 10.1063/1.5088821.

[9] Jing M, Hu Y, Ma J, Zhang H, Zhang L, Xiao L, Jia S. Atomic superheterodyne receiver based on microwave-dressed Rydberg spectroscopy. Nature Physics, 2020, 16: 911-915. DOI: 10.1038/s41567-020-0918-5.

[10] Simons M T, Artusio-Glimpse A B, Robinson A K, Prajapati N, Holloway C L. Rydberg atom-based sensors for radio-frequency electric field metrology, sensing, and communications. Measurement: Sensors, 2021, 18: 100273. DOI: 10.1016/j.measen.2021.100273.

编辑：Spin

文章转载自"中科院物理所"公众号