支持增强型 Rydberg 原子传感器的共振光学双稳态

基于高激发态 Rydberg 原子蒸气的射频天线原则上可以达到超越任何传统线天线的灵敏度，特别是在较低频率下，此时需要极长的导线来适应不断增长的波长。传统的 Rydberg 传感器基于单原子响应，其信号分辨率的提升依赖于 $O(10^3)$ 的电偶极矩增强，该增强按 Rydberg 态主量子数 $N \sim 50$ 的平方进行标度。然而，尽管经过三十多年的稳步进展，超越经典极限的信号灵敏度尚未得到证实。最近，光学双稳态效应——一种在较高蒸气密度下发生的多体非平衡相变——通过调谐至临界区域，在某些装置中被用于实现一个数量级或以上的灵敏度提升。然而，这些结果与使用更先进的“传统”Rydberg 传感器装置所获得的结果相比仍有明显差距，后者通过利用一对邻近 Rydberg 能级之间的共振相互作用实现了更大的增强。本文旨在通过将双稳态相分析扩展至包含一对共振 Rydberg 能级，并结合对原子速度热平均的精确处理，来结合多体增强与共振增强效应。我们还发展了动态线性响应形式体系，以探索测量灵敏度与有限带宽信号之间的权衡。我们展示了相图中可被利用以实现破纪录的、超越经典极限灵敏度的区域。当然，实验上仅有有限数量的蒸气参数处于完全控制之下，需要通过实验来定量约束理论中出现的有效平均场相互作用参数，从而确定相图中的可达区域。