RESEARCH ARTICLE

Low-frequency vector electrometry with a Rydberg dipolar chain    

Jiaming Sun, Cuong Dang, Tierui Gong, Xinyao Huang, Junying Zhang, Guangwei Hu

2026, 19(1): 6.https://doi.org/10.2738/foe.2026.0006

Abstract

Low-frequency electric field sensors are essential for applications in geophysics, electrical engineering, aerospace, and medical technology. However, conventional technologies often suffer from intrinsic trade-offs among traceability, multidimensional vector detection, and miniaturization, which significantly hinder their scalability and deployment in compact platforms. To address these challenges, we propose a vector-resolved quasi-static electric field sensor based on a Rydberg dipolar chain, where the external field reorients the atomic quantization axis and thereby modulates the angle-dependent dipolar exchange interaction. Using a unified framework combining time-domain propagation, Ramsey-mode spectroscopy, and end-to-end Green’s-function analysis, we identify three complementary observables—arrival time, eigenmode frequency shifts, and transmission fringes—that encode both the amplitude and direction of the applied field. The approach operates at micrometer scales compatible with optical-tweezer arrays, offers tunable sensitivity near the magic angle, and provides multi-channel readout within a single platform. Our results establish a compact and experimentally feasible route toward high-resolution, vector-sensitive low-frequency electrometry with the potential for quantum-enhanced performance.

研究背景

低频电场传感器在地球物理、电气工程、航空航天和医疗技术等领域具有重要应用。然而，传统技术（如旋转式电场传感器、电容式传感器、电光晶体和MEMS）往往需要在可追溯性、多维矢量探测和小型化之间进行权衡，严重限制了传感器的可扩展性和在紧凑平台上的部署。基于里德堡原子的量子传感方案，具有大的电偶极矩、丰富的能级结构和长的激发态寿命，为突破这些限制提供了新途径。目前，大多数基于里德伯原子的电场传感器都依赖于碱金属蒸汽池，通过探测电磁感应透明（EIT）信号来提取外场信息。这种传感器的测量精度受限于宏观气体效应（如碰撞、多普勒展宽），而且由于采用宏观传感体积上的系综平均读出，难以实现原子尺度的空间局域化和矢量场映射。

主要内容

本文提出并理论验证了一种基于里德堡偶极链的新型低频矢量电场传感范式。该方案利用信号电场与偏置电场的矢量和，重新定向原子的量子化轴，从而调制原子间角度依赖的偶极-偶极交换相互作用。通过一个统一的框架（结合时域传播、拉姆齐谱和端到端格林函数分析），识别出三种互补的可观测物理量——激励到达时间、本征模频移和透射条纹——用于外加电场的幅度和方向信息的编码。该方案具有微米尺度，与光镊阵列兼容，并具有可调谐的灵敏度（特别是在“魔角”附近）和单平台多通道读出的能力。

创新点

l 新传感机制：首次提出利用外部电场重定向原子量子化轴，进而调制里德堡原子链中角度依赖的偶极交换相互作用作为电场传感的核心物理机制。这与传统依赖斯塔克频移的里德堡蒸气池方案有根本不同。 

l 三种互补读出方法：系统地设计了时域（激励到达时间）、能量域（拉姆齐谱本征频率）和频域（端到端透射谱）三种互补的读出方法，分别探测交换耦合的不同函数依赖关系，实现了对矢量电场幅度和方向的多维度、高分辨率测量。 

l 量子增强潜力：在拉姆齐谱读出方法中，明确分析了利用非经典多体态（自旋压缩态和Greenberger–Horne–Zeilinger态）超越标准量子极限（SQL）的潜力，为在该平台上实现量子增强的电场计量学指明了方向。

结论

本研究从理论上建立了一种基于里德堡偶极链的紧凑、可调谐、矢量分辨的低频电场量子传感新范式。通过利用角度依赖的偶极交换相互作用和三种互补的读出方法，该方案能够在微米尺度上实现对外加电场幅度和方向的灵敏检测。该平台与当前先进的光镊原子阵列技术兼容，并且可以通过引入非经典态实现量子增强测量。这项工作为开发小型化、高分辨率、可集成的下一代低频电场量子传感器奠定了坚实的理论基础，并展示了在量子计量学领域的广阔应用前景。

（以上文字包含AI生成内容，仅供参考；请以原文为准。）