atomi di Rydberg, che sono atomi in uno stato altamente eccitato, hanno diverse proprietà uniche e vantaggiose, compresa una durata particolarmente lunga e una grande sensibilità ai campi esterni. Queste proprietà li rendono preziosi per una varietà di applicazioni, ad esempio per lo sviluppo di tecnologie quantistiche.

Affinché gli atomi di Rydberg possano essere utilizzati efficacemente nella tecnologia quantistica, però, i ricercatori devono prima essere in grado di intrappolarli. Mentre numerosi studi hanno dimostrato l'intrappolamento degli atomi di Rydberg mediante l'uso di magneti, elettrico, o tecnologia laser, i tempi di cattura ottenuti finora sono stati relativamente brevi, tipicamente intorno a 100μs.

I ricercatori del Laboratoire Kastler Brossel (LKB) hanno recentemente raggiunto un tempo di intrappolamento laser 2-D più lungo di atomi di Rydberg circolari fino a 10 ms. Il metodo che usavano, delineato in un articolo pubblicato su Lettere di revisione fisica , potrebbe aprire nuove entusiasmanti possibilità per lo sviluppo della tecnologia quantistica.

"Il nostro gruppo di ricerca alla LKB è uno dei pochi al mondo in grado di preparare e manipolare livelli di atomi di Rydberg circolari, "Clément Sayrin, uno dei ricercatori che ha condotto lo studio, ha detto a Phys.org. "Il nostro gruppo ha in realtà una lunga esperienza nel lavoro con atomi di Rydberg circolari, che affonda le sue radici negli anni '70/'80 e nel lavoro di Serge Haroche. Una parte significativa delle nostre attività di ricerca è ora dedicata all'uso di questi atomi nelle tecnologie quantistiche".

La maggior parte dei simulatori quantistici che impiegano atomi di Rydberg sviluppati fino ad oggi utilizzano atomi di Rydberg non circolari. Queste tecnologie sono state sperimentate per la prima volta da un gruppo di ricerca presso l'Institut d'Optique Graduate School (IOGS) a Palaiseau, guidato da Antoine Browaeys e Thierry Lahaye, così come da un team di Harvard guidato da Mikhail Lukin.

Sebbene questi simulatori abbiano ottenuto risultati notevoli, le loro capacità sono state limitate dal fatto che gli atomi di Rydberg al loro interno non sono stati intrappolati e quindi hanno continuato a muoversi mentre il sistema funzionava. Il nuovo studio condotto da Sayrin, Michel Brune (direttore della ricerca), Rodrigo Cortiñas (dottorando), Maxime Favier (studente post-dottorato) e altri ricercatori della LKB introducono una soluzione a questo problema che prevede l'uso di atomi di Rydberg circolari (cioè, atomi negli stati circolari di Rydberg) e una tecnica nota come trapping laser.

"Quando un atomo è eccitato a un livello di Rydberg circolare, può essere abbastanza descritto come un elettrone che orbita lontano dal nucleo su un'orbita circolare, un'orbita grande quasi quanto un batterio, " Sayrin ha spiegato. "Quindi, l'elettrone è quasi libero e gli elettroni liberi, come ogni particella carica, sono respinti da intensi campi di luce."

I ricercatori hanno essenzialmente sfruttato il fatto che gli atomi di Rydberg circolari vengono respinti dalla luce intensa per intrappolare gli atomi. Per realizzare questo, producevano un raggio di luce a forma di ciambella, più specificamente un raggio laser rotondo con una macchia scura al centro, dove alla fine gli atomi sarebbero rimasti intrappolati.

"Se un elettrone è al centro della ciambella, non può sfuggirgli:è intrappolato nel raggio di luce, "Spiegò Sayrin. "Il nucleo pesante poi segue appena, attratto dall'elettrone tramite l'interazione di Coulomb! In qualche modo, intrappoliamo l'atomo di Rydberg circolare afferrandolo per il suo elettrone."

Sayrin e i suoi colleghi hanno prodotto il raggio a forma di ciambella utilizzando uno strumento noto come modulatore di luce spaziale (SLM). Gli SLM sono oggetti che possono imprimere schemi di fase su fasci di luce, che a sua volta modifica la forma di queste travi. Questi strumenti unici erano un tempo ampiamente utilizzati nei videoproiettori per riflettere immagini o video sulle superfici.

"In qualche modo, abbiamo realizzato il nostro videoproiettore per produrre il fascio di ciambelle, ma invece di una lampadina come fonte, abbiamo un potente laser a infrarossi, e invece di uno schermo facciamo brillare l'immagine sugli atomi di Rydberg, " Disse Sayrin.

Finora, i ricercatori di tutto il mondo sono stati solo in grado di dimostrare le prime firme dell'intrappolamento laser di atomi non circolari, che durò non più di pochi microsecondi. Atomi di Rydberg circolari, d'altra parte, non era mai stato intrappolato con il laser prima.

Il recente studio di Sayrin e dei suoi colleghi mostra che gli atomi di Rydberg circolari possono, infatti, essere intrappolati al laser e per tempi notevolmente più lunghi. Finora, i ricercatori sono stati in grado di intrappolare questi atomi per circa 10 millisecondi, tuttavia questo tempo di cattura potrebbe essere ulteriormente aumentato in studi futuri.

"Abbiamo anche dimostrato che intrappolare gli atomi di Rydberg circolari non influisce sulle loro proprietà (ad es. tutta la vita, purezza, e coerenza quantistica), " Disse Sayrin. "In particolare, conferma il fatto che gli atomi di Rydberg circolari sono immuni alla fotoionizzazione, contrariamente ad altri livelli Rydberg."

I risultati potrebbero avere numerose importanti implicazioni per lo sviluppo delle tecnologie quantistiche, inclusi strumenti per la simulazione quantistica, rilevamento, ed elaborazione delle informazioni. Infatti, mantenendo efficacemente gli atomi di Rydberg circolari in posizione mentre i sistemi quantistici sono in funzione, come dimostrato nel loro studio, significa che questi atomi potrebbero essere utilizzati per tempi più lunghi. Ciò potrebbe in definitiva aumentare le prestazioni di diverse tecnologie quantistiche, ad esempio migliorando la sensibilità dei sensori, aumentare il tempo di simulazione dei simulatori, e così via.

Sayrin e i suoi colleghi stanno ora progettando di realizzare una serie di atomi di Rydberg circolari intrappolati al laser. Per realizzare questo, prepareranno una serie di pinzette ottiche con un foro al centro, una struttura nota come "trappola a fascio di bottiglie".

"Intrappolando uno e un solo atomo di Rydberg circolare in ogni bottiglia, separati da pochi micron, produrremo una serie regolare di atomi di Rydberg circolari interagenti, "Spiega Sayrin. "Questo realizzerà un simulatore quantistico di spin interagenti che dovrebbe consentirci di eseguire simulazioni su scale temporali senza precedenti".

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