Rydberg-atomer är exciterade atomer som innehåller en eller flera elektroner med ett högt huvudkvantantal. På grund av deras stora storlek, långväga dipol-dipol-interaktioner och starka kopplingar till externa fält, har dessa atomer visat sig vara lovande system för utveckling av kvantteknologier.

Trots sina fördelar fann fysiker att optiskt tillgängliga Rydberg-stater tenderar att ha en kort livslängd, vilket begränsar deras prestanda inom kvantteknologi. En möjlig lösning på detta problem kan vara att använda cirkulära Rydberg-tillstånd, med längre livslängder, men hittills har deras optiska detektion visat sig vara svår.

Forskare vid ENS-University PSL, Sorbonne Université, Université Paris-Saclay och Universidade Federal de São Carlos har nyligen visat den koherenta manipulationen av ett cirkulärt Rydberg-tillstånd med hjälp av optiska pulser. Deras resultat beskrivs i en artikel publicerad i Nature Physics , skulle kunna öppna nya möjligheter för utvecklingen av en hybrid optisk mikrovågsplattform för kvantteknik.

"Alkaliska jordartsatomer är intressanta för Rydbergs fysik, för när den första elektronen är i Rydberg-tillståndet har de en andra elektron som fortfarande kan användas för att manipulera atomen med lasrar," Sébastien Gleyzes, en av forskarna som utförde studien, berättade för Phys.org. "Men en hake är att om Rydberg-elektronens "bana" (dvs. dess vågfunktion) är för elliptisk, när den andra elektronen exciteras med lasern, kan de två elektronerna kollidera, vilket leder till autojonisering av atom."

I sina experiment använde Gleyzes och hans kollegor cirkulära Rydberg-tillstånd, tillstånd där banan/vågfunktionen för en Rydberg-atom är "en cirkel bort" från jonkärnan. På grund av denna cirkulära organisation, när en andra elektron inuti atomen exciteras, finns det en mycket liten chans att den kommer att kollidera med den första.

"Vårt första mål var att visa att vi kunde excitera den andra elektronen utan att atomen joniserar," sa Gleyzes. "Men under experimentets gång observerade vi att övergångsfrekvensen mellan två cirkulära Rydberg-tillstånd var olika beroende på om den andra elektronen var i ett exciterat tillstånd eller inte."

I huvudsak fann forskarna att även om de två valenselektronerna inuti en Rydberg-atom förblir långt borta från varandra i cirkulära Rydberg-tillstånd, kan de fortfarande "känna varandras närvaro" genom den elektrostatiska kraften. De visade sedan att denna "elektrostatiska koppling" mellan de två elektronerna kunde användas för att koherent manipulera det cirkulära Rydberg-tillståndet med hjälp av optiska pulser.

"I en klassisk bild beror frekvensen med vilken Rydberg-elektronen roterar på tillståndet hos den joniska kärnelektronen (låt oss kalla det "upp" eller "ner")," förklarade Gleyzes. "Vi förberedde elektronen vid en given position på omloppsbanan och väntade en tid T så att Rydberg-elektronen roterar ett heltal om jonkärnan är i 'nedåt'. För att optiskt ändra Rydberg-elektronens tillstånd, har vi transient skicka den joniska kärnelektronen till ett annat tillstånd ('upp') med en laserpuls."

Genom att skicka den joniska kärnelektronen till det andra önskade tillståndet saktade forskarna ner elektronens rörelse, som i slutändan hamnar på andra sidan omloppsbanan i slutet av väntetiden (d.v.s. T). Med andra ord kunde de kontrollera Rydberg-elektronens tillstånd (som fluktuerade mellan den ena sidan och den andra av omloppsbanan) genom att applicera eller ta bort en laserpuls.

"Vi trodde att de alkaliska jordartsmetallerna Rydberg skulle vara intressanta eftersom en elektron skulle användas för kvantprocesserna och den andra elektronen skulle användas för att kontrollera atomens rörelse (kyla atomen eller fånga atomen)," sa Gleyzes. "Innan vår studie trodde vi dock att de skulle arbeta självständigt."

Tekniken för att optiskt manipulera cirkulära Rydberg-tillstånd från alkaliska jordarter som introducerats av detta team av forskare kan öppna intressanta möjligheter för utvecklingen av kvantteknologi. Faktum är att deras arbete är det första som visar att de två valenselektronerna inuti Rydberg-atomer från alkaliska jordarter inte är helt oberoende, så forskare kan använda en av dem för att manipulera den andra eller för att upptäcka den andras tillstånd.

"Möjligheten att konditionera fluorescensen hos den joniska kärnelektronen till Rydberg-elektronens tillstånd är extremt lovande, till exempel om man vill mäta Rydberg-elektronens tillstånd oförstörande," tillade Gleyzes. "Vårt teams långsiktiga mål är att bygga en kvantsimulator baserad på de cirkulära tillstånden hos jordalkaliatomer." + Utforska vidare

Första framgångsrika laserinfångning av cirkulära Rydberg-atomer

© 2022 Science X Network