Rydberg atomer, som är atomer i ett starkt exciterat tillstånd, har flera unika och fördelaktiga egenskaper, inklusive en särskilt lång livslängd och stor känslighet för yttre fält. Dessa egenskaper gör dem värdefulla för en mängd olika applikationer, till exempel för utveckling av kvantteknik.

För att Rydbergs atomer effektivt ska kunna användas i kvantteknologi, dock, forskare måste först kunna fånga dem. Medan ett antal studier har visat infångning av Rydberg-atomer med hjälp av magnetiska, elektrisk, eller laserteknik, fångsttiderna hittills har varit relativt korta, typiskt runt 100μs.

Forskare vid Laboratoire Kastler Brossel (LKB) har nyligen uppnått en längre 2-D laserfångningstid för cirkulära Rydberg-atomer på upp till 10 ms. Metoden de använde, beskrivs i ett papper publicerat i Fysiska granskningsbrev , kan öppna spännande nya möjligheter för utveckling av kvantteknik.

"Vår forskargrupp vid LKB är en av få i världen som kan förbereda och manipulera cirkulära Rydbergnivåer av atomer, "Clément Sayrin, en av forskarna som genomförde studien, berättade för Phys.org. "Vår grupp har faktiskt en lång erfarenhet av att arbeta med cirkulära Rydberg-atomer, som har rötter tillbaka till 1970-/1980-talen och Serge Haroches verk. En betydande del av vår forskningsverksamhet ägnas nu åt användningen av dessa atomer i kvantteknik."

De flesta kvantsimulatorer som använder Rydberg-atomer som har utvecklats hittills använder icke-cirkulära Rydberg-atomer. Dessa teknologier var först pionjärer av en forskargrupp vid Institut d'Optique Graduate School (IOGS) i Palaiseau, ledd av Antoine Browaeys och Thierry Lahaye, samt av ett team på Harvard under ledning av Mikhail Lukin.

Även om dessa simulatorer har uppnått anmärkningsvärda resultat, deras kapacitet har begränsats av det faktum att Rydberg-atomerna inuti dem inte var fångade och därför fortsatte att röra sig allt eftersom systemet fungerade. Den nya studien utförd av Sayrin, Michel Brune (forskningschef), Rodrigo Cortiñas (doktorand), Maxime Favier (postdoktorand) och andra forskare vid LKB introducerar en lösning på detta problem som innebär användning av cirkulära Rydberg-atomer (dvs. atomer i Rydberg cirkulära tillstånd) och en teknik som kallas laserfångning.

"När en atom är exciterad till en cirkulär Rydberg-nivå, det kan rättvist beskrivas som en elektron som kretsar långt från kärnan på en cirkulär bana, en bana nästan lika stor som en bakterie, " förklarade Sayrin. "Därför, elektronen är nästan fri och fria elektroner, som vilken laddad partikel som helst, stöts bort av intensiva ljusfält."

Forskarna utnyttjade i huvudsak det faktum att cirkulära Rydberg-atomer stöts bort av intensivt ljus för att fånga atomerna. För att uppnå detta, de producerade en munkformad ljusstråle, mer specifikt en rund laserstråle med en mörk fläck i mitten, där atomerna slutligen skulle fångas.

"Om en elektron är i centrum av munken, den kan inte fly från den:den är fångad i ljusstrålen, Sayrin förklarade. "Den tunga kärnan följer bara efter, lockas av elektronen via Coulomb -interaktionen! På något sätt, vi fångar den cirkulära Rydberg-atomen genom att ta tag i dess elektron."

Sayrin och hans kollegor producerade den munkformade strålen med hjälp av ett verktyg som kallas en spatial light modulator (SLM). SLM:er är objekt som kan trycka fasmönster på ljusstrålar, vilket i sin tur ändrar formen på dessa balkar. Dessa unika verktyg användes en gång i stor utsträckning i videoprojektorer för att reflektera bilder eller videor på ytor.

"På något sätt, vi har gjort vår egen videoprojektor för att producera munkstrålen, men istället för en glödlampa som källa, vi har en kraftfull infraröd laser, och istället för en skärm lyser vi bilden på Rydberg-atomerna, "Sa Sayrin.

Än så länge, Forskare över hela världen har bara kunnat visa tidiga signaturer av laserinfångning av icke-cirkulära atomer, som inte varade mer än några mikrosekunder. Cirkulära Rydberg-atomer, å andra sidan, hade aldrig varit laserfångad tidigare.

Den nyligen genomförda studien av Sayrin och hans kollegor visar att cirkulära Rydberg-atomer kan, faktiskt, vara laserfångad och för anmärkningsvärt längre tidsskalor. Än så länge, forskarna kunde fånga dessa atomer i cirka 10 millisekunder, ändå kan denna fångsttid ökas ytterligare i framtida studier.

"Vi har också visat att fånga de cirkulära Rydberg-atomerna inte påverkar deras egenskaper (t.ex. livstid, renhet, och kvantkoherens), Sayrin sa. "Särskilt, det bekräftar det faktum att cirkulära Rydberg-atomer är immuna mot fotojonisering, tvärtemot andra Rydbergsnivåer."

Resultaten kan ha många viktiga konsekvenser för utvecklingen av kvantteknik, inklusive verktyg för kvantsimulering, avkänning, och informationsbehandling. Faktiskt, effektivt hålla cirkulära Rydberg-atomer på plats medan kvantsystem fungerar, som visades i deras studie, betyder att dessa atomer skulle kunna användas under längre tid. Detta kan i slutändan öka prestanda för olika kvanttekniker, till exempel att förbättra sensorernas känslighet, öka simuleringstiden för simulatorer, och så vidare.

Sayrin och hans kollegor planerar nu att realisera en rad laserfångade cirkulära Rydberg-atomer. För att uppnå detta, de kommer att förbereda en rad optiska pincetter med ett hål i mitten, en struktur som kallas "flaskstrålefälla."

"Genom att fånga en och endast en cirkulär Rydberg-atom i varje flaska, åtskilda med några mikron, vi kommer att producera en regelbunden uppsättning av interagerande cirkulära Rydberg-atomer, " Sayrin förklarade. "Detta kommer att realisera en kvantsimulator av interagerande snurr som borde tillåta oss att köra simuleringar över aldrig tidigare skådade tidsskalor."

© 2020 Science X Network