Første vellykkede laserindfangning af cirkulære Rydberg -atomer

Rydberg -atomer, som er atomer i en meget ophidset tilstand, har flere unikke og fordelagtige egenskaber, herunder en særlig lang levetid og store følsomheder over for eksterne felter. Disse egenskaber gør dem værdifulde til en række forskellige applikationer, for eksempel til udvikling af kvanteteknologier.

For at Rydberg -atomer effektivt kan bruges i kvante -teknologi, imidlertid, forskere skal først kunne fange dem. Mens en række undersøgelser har vist fangst af Rydberg -atomer ved hjælp af magnetiske, elektrisk, eller laserteknologi, de fangsttider, der hidtil er opnået, har været relativt korte, typisk omkring 100μs.

Forskere ved Laboratoire Kastler Brossel (LKB) har for nylig opnået en længere 2-D laserfangetid for cirkulære Rydberg-atomer på op til 10 ms. Metoden de anvendte, beskrevet i et papir udgivet i Fysisk gennemgangsbreve , kunne åbne op for spændende nye muligheder for udvikling af kvanteteknologi.

"Vores forskergruppe på LKB er en af ​​de få på verdensplan, der kan forberede og manipulere cirkulære Rydberg -atomer, "Clément Sayrin, en af ​​forskerne, der gennemførte undersøgelsen, fortalte Phys.org. "Vores gruppe har faktisk en lang erfaring med at arbejde med cirkulære Rydberg -atomer, som går tilbage til 1970'erne/1980'erne og Serge Haroche's arbejde. En væsentlig del af vores forskningsaktiviteter er nu afsat til brugen af ​​disse atomer i kvanteteknologier. "

De fleste kvantesimulatorer, der anvender Rydberg-atomer, der er udviklet til dato, bruger ikke-cirkulære Rydberg-atomer. Disse teknologier blev først pioner af en forskergruppe ved Institut d'Optique Graduate School (IOGS) i Palaiseau, ledet af Antoine Browaeys og Thierry Lahaye, samt af et team på Harvard ledet af Mikhail Lukin.

Selvom disse simulatorer har opnået bemærkelsesværdige resultater, deres kapacitet har været begrænset af, at Rydberg -atomerne inde i dem ikke var fanget og dermed fortsatte med at bevæge sig, mens systemet fungerede. Den nye undersøgelse foretaget af Sayrin, Michel Brune (direktør for forskning), Rodrigo Cortiñas (ph.d. -studerende), Maxime Favier (post-doktorand) og andre forskere på LKB introducerer en løsning på dette problem, der indebærer brug af cirkulære Rydberg-atomer (dvs. atomer i Rydberg cirkulære tilstande) og en teknik kendt som laserfangst.

"Når et atom er spændt til et cirkulært Rydberg -niveau, det kan retfærdig beskrives som en elektron, der kredser langt fra kernen på en cirkulær bane, en bane næsten lige så stor som en bakterie, "Sayrin forklarede." Derfor, elektronen er næsten fri og frie elektroner, som enhver ladet partikel, bliver frastødt af intense lysfelter. "

Forskerne udnyttede i det væsentlige det faktum, at cirkulære Rydberg -atomer frastødes af intens lys for at fange atomerne. For at opnå dette, de producerede en doughnut-formet lysstråle, mere specifikt en rund laserstråle med en mørk plet i midten, hvor atomerne i sidste ende ville blive fanget.

"Hvis en elektron er i midten af ​​donuten, den kan ikke flygte fra den:den er fanget i lysstrålen, "Sayrin forklarede." Den tunge kerne følger så bare, tiltrukket af elektronen via Coulomb -interaktionen! På en eller anden måde, vi fanger det cirkulære Rydberg -atom ved at gribe det ved dets elektron. "

Sayrin og hans kolleger producerede den doughnutformede stråle ved hjælp af et værktøj kendt som en rumlig lysmodulator (SLM). SLM'er er objekter, der kan præge fasemønstre på lysstråler, hvilket igen ændrer formen på disse bjælker. Disse unikke værktøjer blev engang meget udbredt i videoprojektorer til at afspejle billeder eller videoer på overflader.

"På en eller anden måde, vi har lavet vores egen videoprojektor til at producere donutstrålen, men i stedet for en pære som kilde, vi har en kraftig infrarød laser, og i stedet for en skærm lyser vi billedet på Rydberg -atomerne, "Sagde Sayrin.

Indtil nu, forskere verden over har kun været i stand til at demonstrere tidlige underskrifter af laserindfangning af ikke-cirkulære atomer, som ikke varede mere end et par mikrosekunder. Cirkulære Rydberg -atomer, på den anden side, aldrig var blevet fanget med laser før.

Den nylige undersøgelse af Sayrin og hans kolleger viser, at cirkulære Rydberg -atomer kan, faktisk, være laseroptaget og i bemærkelsesværdigt længere tidsskalaer. Indtil nu, forskerne var i stand til at fange disse atomer i cirka 10 millisekunder, alligevel kan denne fangsttid forlænges yderligere i fremtidige undersøgelser.

"Vi har også vist, at fangst af de cirkulære Rydberg -atomer ikke påvirker deres egenskaber (f.eks. livstid, renhed, og kvantesammenhæng), "Sagde Sayrin." Især det bekræfter det faktum, at cirkulære Rydberg-atomer er immun over for foto-ionisering, modsat andre Rydberg -niveauer. "

Resultaterne kan have mange vigtige konsekvenser for udviklingen af ​​kvanteteknologier, herunder værktøjer til kvantesimulering, fornemmelse, og informationsbehandling. Faktisk, effektivt at holde cirkulære Rydberg -atomer på plads, mens kvantesystemer fungerer, som vist i deres undersøgelse, betyder, at disse atomer kan bruges i længere tid. Dette kan i sidste ende øge ydeevnen for forskellige kvanteteknologier, for eksempel at øge følsomheden af ​​sensorer, øge simuleringstiden for simulatorer, og så videre.

Sayrin og hans kolleger planlægger nu at realisere en række laser-fangede cirkulære Rydberg-atomer. For at opnå dette, de vil forberede en række optiske pincetter med et hul i midten, en struktur kendt som 'flaskebjælkefælde'.

"Ved at fange et og kun et cirkulært Rydberg -atom i hver flaske, adskilt af et par mikrometer, vi vil producere en regelmæssig række interagerende cirkulære Rydberg -atomer, "Sayrin forklarede." Dette vil realisere en kvantesimulator af interaktive spins, der skal give os mulighed for at køre simuleringer over hidtil usete tidsskalaer. "

© 2020 Science X Network