[論文レビュー] Quantifying the impact of state mixing on the Rydberg excitation blockade

Milo Eder, Andrew Lesak+4 more|arXiv (Cornell University)|Apr 15, 2020

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates参考文献 48被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、超低温ルビジウム原子におけるRydberg励起遮断の状態混合効果を定量するために、ショットごとの状態選択的電場イオン化分光法を用いる。状態混合がF"orster共鳴近傍で主に三体過程であることが判明したが、正確な共鳴点では二体共鳴ペア励起が支配的となる。これにより、長年の議論であったメカニズムの解釈が解消され、遮断の信頼性への影響が定量的に明らかになった。

ABSTRACT

The Rydberg excitation blockade has been at the heart of an impressive array of recent achievements; however, state-mixing interactions can compromise its efficiency. When ultracold atoms are excited to Rydberg states near F\"orster resonance, up to $\sim 50\%$ of atoms can be found in dipole coupled product states within tens of ns after excitation. There has been disagreement in the literature regarding the mechanism by which this mixing occurs. We use state-selective field ionization spectroscopy to measure, on a shot-by-shot basis, the distribution of Rydberg states populated during narrowband laser excitation. Our method allows us to both determine the number of additional Rydberg excitations added by each mixing event, and to quantify the extent to which state mixing ``breaks'' the blockade. For excitation of ultracold rubidium atoms to $nD_{5/2}$ states, we find that the mixing is consistent with a three-body process, except near exact F\"orster resonance.

研究の動機と目的

• F"orster共鳴近傍における状態混合が二体過程か三体過程かという長年の議論を解消すること。
• 状態混合がRydberg励起遮断効率にどの程度影響を及えるかを定量すること。
• 共鳴点付近における遮断効果の増強と破壊的状態混合の競合する効果を解明すること。
• イベントごとの検出を用いて、状態混合イベントごとに追加で生成されるRydberg励起状態の数を測定すること。

提案手法

• ショットごとの状態選択的電場イオン化（SSFI）分光法を用いて、Rydberg状態の分布を1ショットごとに検出する。
• ルビジウム原子をnD5/2状態に狭帯域レーザーで励起した際のRydberg状態の分布を測定する。
• 遷移先の(n−2)F7/2および(n+2)P3/2生成状態への遷移を追跡することで、状態混合イベントごとに追加で生成される励起状態の数を分析する。
• 二体および三体過程の理論予測と実験的な混合率を比較する。
• 高分解能検出方式を用いて個々の励起イベントを解像し、単一励起と多重励起の結果を区別する。
• 原子密度を変化させるとともに、正確なF"orster共鳴点付近で測定を行い、メカニズムの遷移を調査する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 F"orster共鳴近傍における状態混合は主に二体過程か三体過程か？
• RQ2 状態混合はRydberg励起遮断をどの程度破壊するか？
• RQ3 状態混合イベントごとに何個の追加Rydberg励起が生成されるか？
• RQ4 正確なF"orster共鳴点付近では状態混合のメカニズムが変化するか？
• RQ5 遮断効率に及ぼす状態混合の悪影響を、遮断を強化する相互作用エネルギーとは独立に定量できるか？

主な発見

• ほとんどの周波数オフセットにおいて、状態混合は三体過程と整合的であり、三粒子系における暗状態への光ポンプ過程のモデルを支持する。
• 正確なF"orster共鳴点付近では、不利なペアポテンシャルに起因する共鳴ペア励起のため、混合メカニズムが二体過程にシフトする。
• 43D5/2状態への励起後100ナノ秒以内に、最大で約50％の原子が双極子結合生成状態（41F7/2および45P3/2）に存在することが確認された。
• イベントごとの測定により、状態混合イベントごとに1つの追加励起が生成されることが直接測定され、二原子生成状態の生成が確認された。
• 状態混合により遮断効率が顕著に低下し、その影響は原子密度および周波数オフセットの関数として定量的に明らかにされた。
• 二体モデルと三体モデルの間の矛盾は、共鳴点に近い位置に依存するメカニズムの変化を示すことで解消された。