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Room temperature single-photon terahertz detection with thermal Rydberg atoms

太赫兹辐射 里德堡原子 光子 里德伯公式 热的 原子物理学 材料科学 里德堡物质 光电子学 物理 光学 电离 量子力学 离子 气象学
作者
Danyang Li,Zhengyang Bai,Xiaoliang Zuo,Yuelong Wu,Jiteng Sheng,Haibin Wu
出处
期刊:Applied physics reviews [American Institute of Physics]
卷期号:11 (4) 被引量:2
标识
DOI:10.1063/5.0219879
摘要

Single-photon terahertz (THz) detection is one of the most demanding technologies for a variety of fields and could lead to many breakthroughs. Although significant progress has been made in the past two decades, operating it at room temperature still remains a great challenge. Here, we demonstrate, for the first time, a 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 high-energy optical photons via a nondegenerate Rydberg state involved in a six-wave mixing process, and therefore, single-photon THz detection is achieved by a conventional optical single-photon counting module. The noise equivalent power of such a detector reaches 9.5 × 10−19 W/Hz1/2, 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 for portability and chip-scale integration, and could be revolutionary for a wide range of applications in remote sensing, wireless communication, biomedical diagnostics, and quantum optics.
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