太赫茲波是位于紅外和微波之間，頻率為0.1~10THz的電磁波波段。由于太赫茲獨特的電磁學(xué)特性，太赫茲技術(shù)在天體物理學(xué)、生物醫(yī)學(xué)、無損檢測、無線通信、爆炸物檢測和GF安全等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，被譽為“改變未來的十大技術(shù)” 之一。高靈敏太赫茲探測器是太赫茲領(lǐng)域的關(guān)鍵核心技術(shù)，實現(xiàn)室溫太赫茲單光子探測器將對太赫茲技術(shù)產(chǎn)生顛覆性影響。在太赫茲頻段,由于單光子能量較低, 具有高靈敏高響應(yīng)的材料和器件十分匱乏。盡管太赫茲單光子探測在低溫環(huán)境已被實現(xiàn)，但室溫操作對于實際應(yīng)用至關(guān)重要，在室溫下實現(xiàn)太赫茲單光子探測仍然是一個巨大的挑戰(zhàn)。

將能量較低的太赫茲光子相干轉(zhuǎn)換為能量較高的可見光/近紅外光子是實現(xiàn)室溫超靈敏太赫茲探測器最有前途的方法之一。然而盡管多種非線性介質(zhì)已被嘗試用于相干轉(zhuǎn)換，如量子點等，但是目前的探測靈敏度與已在低溫下實現(xiàn)的單光子探測相差多個量級。因此，尋找一種合適的、具有高量子效率和低噪聲的室溫非線性介質(zhì)是該領(lǐng)域的重要目標(biāo)。

處于高激發(fā)態(tài)的里德堡原子具有許多獨特的性能，例如對外界電場有較高的靈敏度、較大的偶極相互作用和較強的非線性等，在精密測量、量子計算/模擬、量子光源等方面具有重要應(yīng)用，是前沿研究方向。

近期，學(xué)會副理事長華東師范大學(xué)武海斌教授和華東師范大學(xué)盛繼騰教授團隊基于里德堡原子氣室首次實現(xiàn)室溫太赫茲單光子探測。實驗中，基于里德堡非簡并六波混頻過程，將低能量的太赫茲光子相干上轉(zhuǎn)換為高能量的近紅外光子，并使用可見光硅基單光子探測器測量，從而實現(xiàn)太赫茲單光子探測，全過程無需低溫冷卻。實現(xiàn)的太赫茲探測器的噪聲等效功率（NEP）為9.5×10-19 W/Hz1/2，優(yōu)于已報道的室溫太赫茲探測器四個數(shù)量級以上。探測器量子效率為4.3%，動態(tài)范圍為40.6 dB，最大轉(zhuǎn)換帶寬為172 MHz，可實現(xiàn)連續(xù)弱太赫茲場探測，帶寬等參數(shù)可以通過輔助光場連續(xù)可調(diào)。此外，基于該探測器測量了輸入太赫茲光子的二階關(guān)聯(lián)函數(shù)，證明了其執(zhí)行單光子檢測的能力。該單光子太赫茲探測器系統(tǒng)有望實現(xiàn)便攜式和小型化，成為新一代太赫茲接收器，在下一代無線通信（6G頻段）、載人航天、衛(wèi)星遙感、醫(yī)學(xué)成像等領(lǐng)域有重要應(yīng)用前景。

相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表在Applied Physics Reviews 11, 041420 (2024)，被選為亮點論文，并被美國物理學(xué)聯(lián)合會《科學(xué)之光》（Scilight）專題文章采訪報道。

圖1. (a) 太赫茲—近紅外光子相干上轉(zhuǎn)換原理圖；(b) 非簡并六波混頻87Rb 原子系統(tǒng)能級圖；(c) 實驗裝置示意圖；(d) 六波混頻產(chǎn)生信號 (紅色) 和泵浦場透射信號 (藍色) 。