用于低频电场的单原子传感器

对频率在 30 kHz 至 300 kHz 之间的低频电场（LFEF）信号进行精密测量，由于其独特的频率范围，对于推进基础科学和实际应用都至关重要。对于传统的电磁天线，LFEF 的长波长（即数公里）导致了严重的尺寸限制，当天线尺寸远小于 LFEF 信号的长波长时，实现高效辐射变得具有挑战性，这反过来又导致测量灵敏度降低并损害天线的性能。通过利用冷阱离子通过库仑相互作用对弱交变电信号的高内在灵敏度，我们展示了一种由注入锁定 40Ca+ 离子驱动的单离子声子激光传感器，该离子被限制在表面电极阱中。将拍频技术与注入锁定声子激光振荡相结合，我们展示了一种实用且高效的方法，可以在单次测量中同时提取频率、相位和幅度，而无需边带冷却。该方法实现了对 LFEF 信号的精确检测，灵敏度为 404 uV/(m * Hz1/2)，检测限为 61.5 uV/m。此外，该方法还表现出对噪声的显著鲁棒性。我们的研究有助于在低频区域实现实用的单原子传感器，为地下通信、精密计量、质谱分析和生物医学监测等应用开辟了途径。