Rydberg-atomen zijn aangeslagen atomen die een of meer elektronen bevatten met een hoog hoofdkwantumgetal. Vanwege hun grote omvang, dipool-dipoolinteracties op lange afstand en sterke koppeling met externe velden, zijn deze atomen veelbelovende systemen gebleken voor de ontwikkeling van kwantumtechnologieën.

Ondanks hun voordelen ontdekten natuurkundigen dat optisch toegankelijke Rydberg-staten over het algemeen een korte levensduur hebben, wat hun prestaties in kwantumtechnologie beperkt. Een mogelijke oplossing voor dit probleem zou kunnen zijn om cirkelvormige Rydberg-toestanden te gebruiken, met een langere levensduur, maar tot nu toe is hun optische detectie moeilijk gebleken.

Onderzoekers van ENS-University PSL, Sorbonne Université, Université Paris-Saclay en Universidade Federal de São Carlos hebben onlangs de coherente manipulatie van een cirkelvormige Rydberg-staat aangetoond met behulp van optische pulsen. Hun resultaten, uiteengezet in een paper gepubliceerd in Nature Physics , zou nieuwe mogelijkheden kunnen openen voor de ontwikkeling van een hybride optisch-microgolfplatform voor kwantumtechnologieën.

"Alkaline-aarde-atomen zijn interessant voor de Rydberg-fysica, want als het eerste elektron eenmaal in de Rydberg-staat is, hebben ze een tweede elektron dat nog steeds kan worden gebruikt om het atoom met lasers te manipuleren," Sébastien Gleyzes, een van de onderzoekers die deed de studie, vertelde Phys.org. "Echter, een nadeel is dat, als het Rydberg-elektron 'traject' (d.w.z. zijn golffunctie) te elliptisch is, wanneer het tweede elektron wordt geëxciteerd met de laser, de twee elektronen kunnen botsen, wat leidt tot de auto-ionisatie van de atoom."

In hun experimenten gebruikten Gleyzes en zijn collega's cirkelvormige Rydberg-toestanden, toestanden waarin de baan/golffunctie van een Rydberg-atoom 'één cirkel verwijderd' is van de ionische kern. Door deze cirkelvormige organisatie is er een zeer kleine kans dat het met het eerste zal botsen wanneer een tweede elektron in het atoom wordt aangeslagen.

"Ons eerste doel was om aan te tonen dat we het tweede elektron konden exciteren zonder dat het atoom ioniseert," zei Gleyzes. "Tijdens het experiment hebben we echter vastgesteld dat de overgangsfrequentie tussen twee cirkelvormige Rydberg-toestanden anders was, afhankelijk van of het tweede elektron zich in een aangeslagen toestand bevond of niet."

In wezen ontdekten de onderzoekers dat hoewel de twee valentie-elektronen in een Rydberg-atoom ver van elkaar verwijderd blijven in cirkelvormige Rydberg-toestanden, ze nog steeds 'elkaars aanwezigheid kunnen voelen' door de elektrostatische kracht. Vervolgens toonden ze aan dat deze 'elektrostatische koppeling' tussen de twee elektronen kan worden gebruikt om de cirkelvormige Rydberg-toestand coherent te manipuleren met behulp van optische pulsen.

"In een klassiek beeld hangt de frequentie waarmee het Rydberg-elektron roteert af van de toestand van het ionische kernelektron (laten we het 'omhoog' of 'omlaag' noemen),' legde Gleyzes uit. "We hebben het elektron op een bepaalde positie in de baan voorbereid en gewacht op een tijd T zodat het Rydberg-elektron een geheel aantal rotaties maakt als de ionische kern in 'down' is. Om de toestand van het Rydberg-elektron optisch te veranderen, hebben we tijdelijk stuur het ionische kernelektron in een andere toestand ('up') met een laserpuls."

Door het ionische kernelektron in de tweede gewenste toestand te sturen, vertraagden de onderzoekers de beweging van het elektron, dat uiteindelijk aan het einde van de wachttijd (d.w.z. T) aan de andere kant van de baan belandt. Met andere woorden, ze waren in staat om de toestand van het Rydberg-elektron (dat schommelde tussen de ene kant en de andere kant van de baan) te controleren door een laserpuls toe te passen of te verwijderen.

"We dachten dat de Rydberg-atomen van de aardalkali-aarde interessant zouden zijn omdat het ene elektron zou worden gebruikt voor de kwantumprocessen en het andere elektron zou worden gebruikt om de beweging van het atoom te regelen (het atoom afkoelen of het atoom opsluiten), " zei Gleyzes. "Voor ons onderzoek dachten we echter dat ze onafhankelijk zouden werken."

De door dit team van onderzoekers geïntroduceerde techniek om de cirkelvormige Rydberg-toestanden van aardalkali optisch te manipuleren, zou interessante mogelijkheden kunnen openen voor de ontwikkeling van kwantumtechnologie. In feite is hun werk het eerste dat aantoont dat de twee valentie-elektronen in de aardalkali-rydberg-atomen niet volledig onafhankelijk zijn, dus wetenschappers zouden een van hen kunnen gebruiken om de ander te manipuleren of om de toestand van de ander te detecteren.

"De mogelijkheid om de fluorescentie van het ionische kernelektron te conditioneren tot de toestand van het Rydberg-elektron is buitengewoon veelbelovend, bijvoorbeeld als men de toestand van het Rydberg-elektron niet-destructief wil meten," voegde Gleyzes eraan toe. "Het langetermijndoel van ons team is om een ​​kwantumsimulator te bouwen op basis van de circulaire toestanden van aardalkaliatomen." + Verder verkennen

Eerste succesvolle laservangst van cirkelvormige Rydberg-atomen

© 2022 Science X Network