Rydberg-atomen, die atomen zijn in een zeer aangeslagen toestand, hebben verschillende unieke en voordelige eigenschappen, waaronder een bijzonder lange levensduur en grote gevoeligheden voor externe velden. Deze eigenschappen maken ze waardevol voor een verscheidenheid aan toepassingen, bijvoorbeeld voor de ontwikkeling van kwantumtechnologieën.

Om Rydberg-atomen effectief te kunnen gebruiken in de kwantumtechnologie, echter, onderzoekers moeten ze eerst kunnen vangen. Hoewel een aantal studies het vangen van Rydberg-atomen met behulp van magnetische, elektrisch, of lasertechnologie, de tot nu toe bereikte vangtijden waren relatief kort, meestal rond de 100μs.

Onderzoekers van Laboratoire Kastler Brossel (LKB) hebben onlangs een langere 2D-laservangtijd van cirkelvormige Rydberg-atomen tot 10 ms bereikt. De methode die ze gebruikten, geschetst in een paper gepubliceerd in Fysieke beoordelingsbrieven , zou spannende nieuwe mogelijkheden kunnen bieden voor de ontwikkeling van kwantumtechnologie.

"Onze onderzoeksgroep bij LKB is een van de weinige wereldwijd die circulaire Rydberg-niveaus van atomen kan voorbereiden en manipuleren, "Clément Sayrin, een van de onderzoekers die het onderzoek heeft uitgevoerd, vertelde Phys.org. "Onze groep heeft eigenlijk een lange ervaring in het werken met circulaire Rydberg-atomen, die teruggaat tot de jaren 70/80 en het werk van Serge Haroche. Een aanzienlijk deel van onze onderzoeksactiviteiten is nu gewijd aan het gebruik van deze atomen in kwantumtechnologieën."

De meeste kwantumsimulators die Rydberg-atomen gebruiken die tot nu toe zijn ontwikkeld, gebruiken niet-cirkelvormige Rydberg-atomen. Deze technologieën werden voor het eerst ontwikkeld door een onderzoeksgroep aan de Institut d'Optique Graduate School (IOGS) in Palaiseau, onder leiding van Antoine Browaeys en Thierry Lahaye, evenals door een team op Harvard onder leiding van Mikhail Lukin.

Hoewel deze simulatoren opmerkelijke resultaten hebben behaald, hun mogelijkheden zijn beperkt door het feit dat de Rydberg-atomen in hen niet vastzaten en dus bleven bewegen terwijl het systeem werkte. De nieuwe studie van Sayrin, Michel Brune (directeur onderzoek), Rodrigo Cortiñas (promovendus), Maxime Favier (postdoctoraal student) en andere onderzoekers van LKB introduceren een oplossing voor dit probleem waarbij gebruik wordt gemaakt van circulaire Rydberg-atomen (d.w.z. atomen in cirkelvormige toestanden van Rydberg) en een techniek die bekend staat als lasertrapping.

"Als een atoom wordt geëxciteerd tot een cirkelvormig Rydberg-niveau, het kan redelijk worden beschreven als een elektron dat ver van de kern draait in een cirkelvormige baan, een baan bijna zo groot als een bacterie, " legde Sayrin uit. "Vandaar, het elektron is bijna vrij en vrije elektronen, zoals elk geladen deeltje, worden afgestoten door intense lichtvelden."

De onderzoekers maakten in wezen gebruik van het feit dat cirkelvormige Rydberg-atomen worden afgestoten door intens licht om de atomen te vangen. Om dit te behalen, ze produceerden een donutvormige lichtstraal, meer bepaald een ronde laserstraal met een donkere vlek in het midden, waar de atomen uiteindelijk zouden worden opgesloten.

"Als een elektron zich in het midden van de donut bevindt, het kan er niet uit ontsnappen:het zit gevangen in de lichtstraal, " legde Sayrin uit. "De zware kern volgt dan gewoon, aangetrokken door het elektron via de Coulomb-interactie! op de een of andere manier, we vangen het cirkelvormige Rydberg-atoom door het bij zijn elektron te grijpen."

Sayrin en zijn collega's produceerden de donutvormige straal met behulp van een hulpmiddel dat bekend staat als een ruimtelijke lichtmodulator (SLM). SLM's zijn objecten die fasepatronen op lichtstralen kunnen afdrukken, die op zijn beurt de vorm van deze balken wijzigt. Deze unieke hulpmiddelen werden ooit veel gebruikt in videoprojectoren om afbeeldingen of video's op oppervlakken te reflecteren.

"Op de een of andere manier, we hebben onze eigen videoprojector gemaakt om de donutstraal te produceren, maar in plaats van een gloeilamp als bron, we hebben een krachtige infrarood laser, en in plaats van een scherm schijnen we het beeld op de Rydberg-atomen, ' zei Sayrin.

Tot dusver, onderzoekers over de hele wereld hebben alleen vroege handtekeningen kunnen aantonen van het laservangen van niet-cirkelvormige atomen, die niet meer dan een paar microseconden duurde. Circulaire Rydberg-atomen, anderzijds, was nooit eerder lasergevangen geweest.

De recente studie van Sayrin en zijn collega's laat zien dat cirkelvormige Rydberg-atomen, in feite, lasergevangen worden en voor opmerkelijk langere tijdschalen. Tot dusver, de onderzoekers konden deze atomen ongeveer 10 milliseconden vangen, toch zou deze vangtijd in toekomstige studies verder kunnen worden verlengd.

"We hebben ook aangetoond dat het vangen van de cirkelvormige Rydberg-atomen hun eigenschappen niet beïnvloedt (bijv. levenslang, puurheid, en kwantumcoherentie), "Zei Sayrin. "In het bijzonder, het bevestigt het feit dat cirkelvormige Rydberg-atomen immuun zijn voor foto-ionisatie, in tegenstelling tot andere Rydberg-niveaus."

De resultaten kunnen tal van belangrijke implicaties hebben voor de ontwikkeling van kwantumtechnologieën, inclusief tools voor kwantumsimulatie, voelen, en informatieverwerking. In feite, effectief cirkelvormige Rydberg-atomen op hun plaats houden terwijl kwantumsystemen werken, zoals blijkt uit hun onderzoek, betekent dat deze atomen voor langere tijd kunnen worden gebruikt. Dit kan uiteindelijk de prestaties van verschillende kwantumtechnologieën verbeteren, bijvoorbeeld het verbeteren van de gevoeligheid van sensoren, het verhogen van de simulatietijd van simulatoren, enzovoort.

Sayrin en zijn collega's zijn nu van plan om een ​​reeks lasergevangen cirkelvormige Rydberg-atomen te realiseren. Om dit te behalen, ze zullen een reeks optische pincetten voorbereiden met een gat in het midden, een structuur die bekend staat als 'bottle beam trap'.

"Door één en slechts één cirkelvormig Rydberg-atoom in elke fles te vangen, gescheiden door een paar micron, we zullen een regelmatige reeks van op elkaar inwerkende circulaire Rydberg-atomen produceren, Sayrin legde uit. "Dit zal een kwantumsimulator van op elkaar inwerkende spins realiseren waarmee we simulaties kunnen uitvoeren over ongekende tijdschalen."

© 2020 Wetenschap X Netwerk