В отсутствие лазерного импульса ридберговский электрон вращается вокруг ядра по круговой траектории (синяя стрелка). (б) Когда лазерный импульс переводит внутренний электрон на возбужденную орбиту, электростатическая сила отталкивает ридберговский электрон на большую орбиту, где он вращается медленнее. Предоставлено: Ева-Катарина Дитше.

Ридберговские атомы — это возбужденные атомы, содержащие один или несколько электронов с высоким главным квантовым числом. Благодаря своим большим размерам, дальнодействующим диполь-дипольным взаимодействиям и сильной связи с внешними полями эти атомы оказались перспективными системами для развития квантовых технологий.

Несмотря на свои преимущества, физики обнаружили, что оптически доступные ридберговские состояния, как правило, имеют короткое время жизни, что ограничивает их эффективность в квантовых технологиях. Возможным решением этой проблемы может быть использование круговых ридберговских состояний с более длительным временем жизни, но до сих пор их оптическое обнаружение оказалось затруднительным.

Исследователи из ENS-University PSL, Sorbonne Université, Université Paris-Saclay и Universidade Federal de São Carlos недавно продемонстрировали когерентное управление круговым состоянием Ридберга с помощью оптических импульсов. Их результаты, изложенные в статье, опубликованной в журнале Nature Physics , могут открыть новые возможности для разработки гибридной оптико-микроволновой платформы для квантовых технологий.

«Атомы щелочноземельных металлов интересны для ридберговской физики, потому что, когда первый электрон находится в ридберговском состоянии, у них есть второй электрон, который все еще можно использовать для манипулирования атомом с помощью лазеров», — сказал Себастьян Глейзес, один из исследователей, выполнивших исследование. исследование, сказал Phys.org. «Однако есть одна загвоздка в том, что если «траектория» ридберговского электрона (т. е. его волновая функция) слишком эллиптична, то при возбуждении второго электрона лазером два электрона могут столкнуться, что приведет к автоионизации атом."

В своих экспериментах Глейзес и его коллеги использовали круговые ридберговские состояния, состояния, в которых траектория/волновая функция ридберговского атома находится «на расстоянии одного круга» от ионного ядра. Из-за этой круговой организации, когда второй электрон внутри атома возбуждается, вероятность того, что он столкнется с первым, очень мала.

«Наша первоначальная цель состояла в том, чтобы продемонстрировать, что мы можем возбудить второй электрон без ионизации атома», — сказал Глейзес. «Однако в ходе эксперимента мы заметили, что частота перехода между двумя круговыми ридберговскими состояниями различалась в зависимости от того, находился ли второй электрон в возбужденном состоянии или нет».

По сути, исследователи обнаружили, что хотя два валентных электрона внутри ридберговского атома остаются далеко друг от друга в круговых ридберговских состояниях, они все же могут «чувствовать присутствие друг друга» благодаря электростатической силе. Затем они показали, что эту «электростатическую связь» между двумя электронами можно использовать для когерентного управления круговым состоянием Ридберга с помощью оптических импульсов.

«В классической картине частота, с которой вращается ридберговский электрон, зависит от состояния электрона ионного ядра (назовем его «вверх» или «вниз»)», — объяснил Глейзес. «Мы подготовили электрон в заданном положении на орбите и подождали время T, такое, чтобы ридберговский электрон сделал целое число оборотов, если ионное ядро ​​находится «внизу». Чтобы оптически изменить состояние ридберговского электрона, мы кратковременно отправить электрон ионного ядра в другое состояние («вверх») с помощью лазерного импульса».

Отправив электрон ионного ядра во второе желаемое состояние, исследователи замедлили движение электрона, который в конечном итоге оказывается на другой стороне орбиты в конце времени ожидания (т. е. T). Другими словами, они могли контролировать состояние ридберговского электрона (которое колебалось между одной и другой стороной орбиты), применяя или удаляя лазерный импульс.

«Мы подумали, что ридберговские атомы щелочноземельных металлов будут интересны, потому что один электрон будет использоваться для квантовых процессов, а другой электрон будет использоваться для управления движением атома (охлаждение атома или захват атома)», — сказал Глейзес. «Однако до нашего исследования мы думали, что они будут работать независимо».

Техника оптического манипулирования круговыми ридберговскими состояниями щелочноземельных металлов, предложенная этой группой исследователей, может открыть интересные возможности для развития квантовой технологии. Фактически, их работа впервые показала, что два валентных электрона внутри щелочноземельных ридберговских атомов не являются полностью независимыми, поэтому ученые могут использовать один из них для манипулирования другим или для обнаружения состояний другого.

«Возможность приведения флуоресценции электрона ионного ядра к состоянию ридберговского электрона чрезвычайно многообещающа, например, если кто-то хочет неразрушающим образом измерить состояние ридберговского электрона», — добавил Глейзес. «Долгосрочная цель нашей команды — создать квантовый симулятор, основанный на круговых состояниях щелочноземельных атомов».