A terahertz-driven non-equilibrium phase transition in a room temperature atomic vapour.
A terahertz-driven non-equilibrium phase transition in a room temperature atomic vapour.
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DOI：
10.1038/s41467-018-05597-4
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发表时间：
2018-09-03
影响因子：
16.6
通讯作者：
Weatherill KJ
中科院分区：
文献类型：
--
作者：
Wade CG;Marcuzzi M;Levi E;Kondo JM;Lesanovsky I;Adams CS;Weatherill KJ
很少有可以由太赫兹频率电场直接驱动的相变的演示示例，并且已知的相变需要超过 1 MV cm−1 的场强。在这里，我们报告了由弱（≪1 V cm−1）连续波太赫兹电场驱动的非平衡相变。该系统由室温铯蒸气组成，在连续光学激发下达到高位里德堡态，该态通过太赫兹电场共振耦合到附近的能级。我们使用一个简单的模型来理解潜在的物理行为，并演示了两种协议来利用相变作为窄带太赫兹探测器：第一个协议对纳瓦级的入射辐射具有快速（20μs）非线性响应，第二个协议具有线性响应和有效噪声等效功率≤1pWHz−1/2。这项工作为一类低场强度控制并在室温环境下运行的太赫兹设备打开了大门。太赫兹频率电场与原子或分子之间的非线性相互作用可用于研究基础和技术问题。在这里，作者使用铯蒸气中的里德伯原子态展示了太赫兹驱动的相变，其潜在的应用为太赫兹传感器。
There are few demonstrated examples of phase transitions that may be driven directly by terahertz frequency electric fields, and those that are known require field strengths exceeding 1 MV cm−1. Here we report a non-equilibrium phase transition driven by a weak (≪1 V cm−1), continuous-wave terahertz electric field. The system consists of room temperature caesium vapour under continuous optical excitation to a high-lying Rydberg state, which is resonantly coupled to a nearby level by the terahertz electric field. We use a simple model to understand the underlying physical behaviour, and we demonstrate two protocols to exploit the phase transition as a narrowband terahertz detector: the first with a fast (20 μs) non-linear response to nano-Watts of incident radiation, and the second with a linearised response and effective noise equivalent power ≤1 pW Hz−1/2. The work opens the door to a class of terahertz devices controlled with low-field intensities and operating in a room temperature environment. The nonlinear interaction between terahertz frequency electric fields and atoms or molecules can be used to study fundamental and technical problems. Here the authors demonstrate a THz–driven phase transition, with a potential application as a THz sensor, using Rydberg atomic states in a cesium vapor.
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