In assenza dell'impulso laser, l'elettrone di Rydberg orbita attorno al nucleo su una traiettoria circolare (freccia blu). (b) Quando un impulso laser trasferisce l'elettrone interno a un'orbita eccitata, la forza elettrostatica spinge via l'elettrone di Rydberg su un'orbita più ampia, dove ruota più lentamente. Credito:Eva-Katharina Dietsche
Gli atomi di Rydberg sono atomi eccitati che contengono uno o più elettroni con un numero quantico principale elevato. Grazie alle loro grandi dimensioni, alle interazioni dipolo-dipolo a lungo raggio e al forte accoppiamento con campi esterni, questi atomi si sono rivelati sistemi promettenti per lo sviluppo di tecnologie quantistiche.
Nonostante i loro vantaggi, i fisici hanno scoperto che gli stati di Rydberg otticamente accessibili tendono ad avere una vita breve, il che limita le loro prestazioni nella tecnologia quantistica. Una possibile soluzione a questo problema potrebbe essere l'utilizzo di stati di Rydberg circolari, con durate più lunghe, ma finora il loro rilevamento ottico si è rivelato difficile.
I ricercatori dell'ENS-University PSL, della Sorbonne Université, dell'Université Paris-Saclay e dell'Universidade Federal de São Carlos hanno recentemente dimostrato la manipolazione coerente di uno stato circolare di Rydberg utilizzando impulsi ottici. I loro risultati, delineati in un articolo pubblicato su Nature Physics , potrebbe aprire nuove possibilità per lo sviluppo di una piattaforma ibrida ottico-microonde per le tecnologie quantistiche.
"Gli atomi alcalino-terrosi sono interessanti per la fisica di Rydberg, perché una volta che il primo elettrone è nello stato di Rydberg, hanno un secondo elettrone che può ancora essere utilizzato per manipolare l'atomo con i laser", Sébastien Gleyzes, uno dei ricercatori che ha condotto lo studio, ha detto a Phys.org. "Tuttavia, un problema è che, se la 'traiettoria' dell'elettrone Rydberg (cioè la sua funzione d'onda) è troppo ellittica, quando il secondo elettrone è eccitato con il laser, i due elettroni possono scontrarsi, il che porta all'autoionizzazione del atomo."
Nei loro esperimenti, Gleyzes e i suoi colleghi hanno utilizzato gli stati di Rydberg circolari, stati in cui la traiettoria/funzione d'onda di un atomo di Rydberg è "a un cerchio di distanza" dal nucleo ionico. A causa di questa organizzazione circolare, quando un secondo elettrone all'interno dell'atomo viene eccitato, c'è una minima possibilità che entri in collisione con il primo.
"Il nostro obiettivo iniziale era dimostrare che potevamo eccitare il secondo elettrone senza ionizzare l'atomo", ha detto Gleyzes. "Tuttavia, nel corso dell'esperimento, abbiamo osservato che la frequenza di transizione tra due stati di Rydberg circolari era diversa a seconda che il secondo elettrone fosse in uno stato eccitato o meno."
Immagine della configurazione sperimentale prima che venga sigillata all'interno del criostato e raffreddata con elio liquido. Credito:Eva-Katharina Dietsche.
In sostanza, i ricercatori hanno scoperto che anche se i due elettroni di valenza all'interno di un atomo di Rydberg rimangono lontani l'uno dall'altro negli stati circolari di Rydberg, possono ancora "sentire la presenza l'uno dell'altro" attraverso la forza elettrostatica. Hanno quindi dimostrato che questo "accoppiamento elettrostatico" tra i due elettroni potrebbe essere utilizzato per manipolare in modo coerente lo stato circolare di Rydberg utilizzando impulsi ottici.
"In un'immagine classica, la frequenza alla quale l'elettrone Rydberg ruota dipende dallo stato dell'elettrone del nucleo ionico (chiamiamolo 'su' o 'giù')", ha spiegato Gleyzes. "Abbiamo preparato l'elettrone in una determinata posizione sull'orbita e abbiamo aspettato un tempo T tale che l'elettrone di Rydberg compia un numero intero di rotazioni se il nucleo ionico è in 'verso il basso'. Per cambiare otticamente lo stato dell'elettrone di Rydberg, abbiamo transitoriamente invia l'elettrone del nucleo ionico in un altro stato ("su") con un impulso laser."
Inviando l'elettrone del nucleo ionico nel secondo stato desiderato, i ricercatori hanno rallentato il movimento dell'elettrone, che alla fine finisce sull'altro lato dell'orbita alla fine del tempo di attesa (cioè T). In altre parole, sono stati in grado di controllare lo stato dell'elettrone di Rydberg (che oscillava tra un lato e l'altro dell'orbita) applicando o rimuovendo un impulso laser.
"Abbiamo pensato che gli atomi di Rydberg alcalino-terrosi sarebbero stati interessanti perché un elettrone sarebbe stato utilizzato per i processi quantistici e l'altro elettrone sarebbe stato utilizzato per controllare il movimento dell'atomo (raffreddare l'atomo o intrappolare l'atomo)", ha detto Gleyzes. "Prima del nostro studio, però, pensavamo che avrebbero lavorato in modo indipendente."
La tecnica per manipolare otticamente gli stati circolari alcalino-terrosi di Rydberg introdotta da questo team di ricercatori potrebbe aprire interessanti possibilità per lo sviluppo della tecnologia quantistica. In effetti, il loro lavoro è il primo a dimostrare che i due elettroni di valenza all'interno degli atomi di Rydberg alcalino-terrosi non sono del tutto indipendenti, quindi gli scienziati potrebbero usarne uno per manipolare l'altro o per rilevare gli stati dell'altro.
"La possibilità di condizionare la fluorescenza dell'elettrone del nucleo ionico allo stato dell'elettrone di Rydberg è estremamente promettente, ad esempio se si vuole misurare lo stato dell'elettrone di Rydberg in modo non distruttivo", ha aggiunto Gleyzes. "L'obiettivo a lungo termine del nostro team è costruire un simulatore quantistico basato sugli stati circolari degli atomi alcalino-terrosi". + Esplora ulteriormente
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