Undersøgelsen opnår den optiske sammenhængende manipulation af cirkulære Rydberg-tilstande

Rydberg-atomer er exciterede atomer, der indeholder en eller flere elektroner med et højt hovedkvantetal. På grund af deres store størrelse, langtrækkende dipol-dipol-interaktioner og stærke kobling til eksterne felter, har disse atomer vist sig at være lovende systemer til udvikling af kvanteteknologier.

På trods af deres fordele fandt fysikere ud af, at optisk tilgængelige Rydberg-stater har en tendens til at have en kort levetid, hvilket begrænser deres ydeevne inden for kvanteteknologi. En mulig løsning på dette problem kunne være at bruge cirkulære Rydberg-tilstande med længere levetid, men indtil videre har deres optiske detektion vist sig at være vanskelig.

Forskere ved ENS-University PSL, Sorbonne Université, Université Paris-Saclay og Universidade Federal de São Carlos har for nylig demonstreret den sammenhængende manipulation af en cirkulær Rydberg-tilstand ved hjælp af optiske impulser. Deres resultater er beskrevet i et papir offentliggjort i Nature Physics , kunne åbne nye muligheder for udvikling af en hybrid optisk mikrobølgeplatform til kvanteteknologier.

"Jordalkaliske atomer er interessante for Rydberg-fysikken, for når først den første elektron er i Rydberg-tilstanden, har de en anden elektron, som stadig kan bruges til at manipulere atomet med lasere," Sébastien Gleyzes, en af ​​forskerne, der udførte undersøgelsen, fortalte Phys.org. "Men en fangst er, at hvis Rydberg-elektronens 'bane' (dvs. dens bølgefunktion) er for elliptisk, når den anden elektron exciteres med laseren, kan de to elektroner kollidere, hvilket fører til autoionisering af atom."

I deres eksperimenter brugte Gleyzes og hans kolleger cirkulære Rydberg-tilstande, tilstande, hvor et Rydberg-atoms bane/bølgefunktion er 'én cirkel væk' fra den ioniske kerne. På grund af denne cirkulære organisation, når en anden elektron inde i atomet exciteres, er der en meget lille chance for, at den vil kollidere med den første.

"Vores oprindelige mål var at demonstrere, at vi kunne excitere den anden elektron uden at atomet ioniserede," sagde Gleyzes. "I løbet af eksperimentet observerede vi imidlertid, at overgangsfrekvensen mellem to cirkulære Rydberg-tilstande var forskellig afhængigt af, om den anden elektron var i en exciteret tilstand eller ej."

Grundlæggende fandt forskerne ud af, at selvom de to valenselektroner inde i et Rydberg-atom forbliver langt væk fra hinanden i cirkulære Rydberg-tilstande, kan de stadig 'mærke hinandens tilstedeværelse' gennem den elektrostatiske kraft. De viste derefter, at denne 'elektrostatiske kobling' mellem de to elektroner kunne bruges til sammenhængende at manipulere den cirkulære Rydberg-tilstand ved hjælp af optiske impulser.

"I et klassisk billede afhænger frekvensen, hvormed Rydberg-elektronen roterer, af tilstanden af ​​den ioniske kerneelektron (lad os kalde det 'op' eller 'ned')," forklarede Gleyzes. "Vi forberedte elektronen ved en given position på kredsløbet og ventede i en tid T, således at Rydberg-elektronen foretager et heltal af rotation, hvis ionkernen er i 'ned'. For optisk at ændre Rydberg-elektronens tilstand, har vi forbigående sende den ioniske kerneelektron til en anden tilstand ('op') med en laserpuls."

Ved at sende den ioniske kerneelektron ind i den anden ønskede tilstand, bremsede forskerne elektronens bevægelse, som i sidste ende ender på den anden side af kredsløbet i slutningen af ​​ventetiden (dvs. T). Med andre ord var de i stand til at kontrollere Rydberg-elektronens tilstand (som svingede mellem den ene side og den anden af ​​kredsløbet) ved at påføre eller fjerne en laserimpuls.

"Vi troede, at de jordalkaliatomer, Rydberg, ville være interessante, fordi den ene elektron ville blive brugt til kvanteprocesserne, og den anden elektron ville blive brugt til at styre atomets bevægelse (afkøle atomet eller fange atomet)," sagde Gleyzes. "Før vores undersøgelse troede vi dog, at de ville arbejde selvstændigt."

Teknikken til optisk at manipulere jordalkali-cirkulære Rydberg-tilstande introduceret af dette team af forskere kunne åbne interessante muligheder for udvikling af kvanteteknologi. Faktisk er deres arbejde det første, der viser, at de to valenselektroner inde i jordalkali-Rydberg-atomer ikke er helt uafhængige, så videnskabsmænd kunne bruge den ene af dem til at manipulere den anden eller til at detektere den andens tilstande.

"Muligheden for at konditionere fluorescensen af ​​den ioniske kerneelektron til tilstanden af ​​Rydberg-elektronen er ekstremt lovende, for eksempel hvis man ønsker at måle Rydberg-elektronens tilstand ikke-destruktivt," tilføjede Gleyzes. "Vores teams langsigtede mål er at bygge en kvantesimulator baseret på de cirkulære tilstande af jordalkaliatomer." + Udforsk yderligere

Første vellykkede laserfangning af cirkulære Rydberg-atomer

© 2022 Science X Network