山西大学激光光谱研究所

本课题组在基于里德堡原子的各向同性天线研究方面取得突破性进展，相关研究成果以题为“Isotropic antenna based on Rydberg atoms”发表在Optics Express。我组原韶鑫博士为论文第一作者，景明勇讲师为通讯作者，张好副教授、张临杰教授、肖连团教授和贾锁堂教授共同参与了该项研究工作。

本课题组提出并验证了一种基于里德堡原子的各向同性天线方案，突破了经典金属天线受“毛球定理”限制而无法实现理想各向同性响应的瓶颈。从理论上证明，当射频场耦合两个具有不同角动量的里德堡能级时，测得的场强与入射方向无关，从而在原理上可以实现零各向同性偏差。这一结论不仅适用于J=1/2与J=3/2的能级结构，也可推广至其他能级配置。实验方面，本课题组利用基于铯原子的电磁感应透明（EIT）与Autler–Townes分裂的测量方法，在微波（4.8 GHz）与太赫兹（0.1296 THz）波段进行了验证。结果显示，原子天线在全空间的最大各向同性偏差小于5 dB，单个平面最小可达0.28 dB，相比经典天线典型超过20 dB的偏差，至少提升了15 dB。实验偏差的主要来源包括实验条件不完美、蒸汽池内电场分布不均以及天线移动与旋转过程中的误差；通过优化实验条件，例如使用球形蒸汽池，有望将偏差进一步降低至0.3 dB。此外，该原子天线的测量公式仅依赖于频率测量，可直接溯源至普朗克常数，具备可溯源性与超宽带特性。研究结果不仅展示了量子传感器在实现理想各向同性响应方面的独特优势，而且为射频电场计量、天线校准及全空间覆盖通信等应用提供了新的技术路径。