[논문 리뷰] Quantifying the impact of state mixing on the Rydberg excitation blockade

Milo Eder, Andrew Lesak외 4명|arXiv (Cornell University)|2020. 04. 15.

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates참고 문헌 48인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 초냉각 리비듐 원자에서 라이드버그 준위 블로킹에 영향을 미치는 상태 혼합 효과를 정량화하기 위해 샷별 상태 선택성 전기 이온화 스펙트로스코피를 사용한다. 상태 혼합은 F"orster 공 resonance 근처에서 주로 삼체 과정임을 발견하였으며, 정확한 공 resonance 조건 근처에서는 이중체 공 resonance 쌍 이완이 지배함을 확인하여 오랫동안 갈라졌던 메커니즘에 대한 논란을 해결하고 블로킹 정밀도에 미치는 영향을 정량화한다.

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.

연구 동기 및 목표

• F"orster 공 resonance 근처에서의 상태 혼합이 이중체 과정인지 삼체 과정인지에 대한 오랫동안 갈라진 논란을 해결하기 위해.
• 상태 혼합이 라이드버그 준위 블로킹 효율성에 얼마나 영향을 미치는지 정량화하기 위해.
• 공 resonance 근처에서 증폭된 블로킹 효과와 파괴적인 상태 혼합 간의 경쟁 효과를 분리하기 위해.
• 이벤트별 검출을 통해 각 혼합 사건당 추가로 생성된 라이드버그 준위 이완의 수를 측정하기 위해.

제안 방법

• 샷별 기반으로 라이드버그 준위 분포를 감지하기 위해 상태 선택성 전기 이온화(SSF) 스펙트로스코피를 적용한다.
• 리비듐 원자를 nD5/2 준위로 좁은 대역폭 레이저를 이용해 자극할 때 발생하는 라이드버그 준위 분포를 측정한다.
• 전이가 (n−2)F7/2 및 (n+2)P3/2 생성 준위로 이르는 것을 추적하여 혼합 사건당 추가로 생성된 이완 수를 분석한다.
• 이중체 및 삼체 과정에 대한 이론적 예측과 실험적 혼합률을 비교한다.
• 고해상도 검출 기술을 사용하여 개별 이완 사건을 구분하고 단일 및 다중 이완 결과를 식별한다.
• 원자 밀도를 다양하게 조절하고 정확한 F"orster 공 resonance 조건 근처에서 측정하여 메커니즘 전이 특성을 탐색한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 F"orster 공 resonance 근처에서의 상태 혼합은 주로 이중체 과정인지 삼체 과정인지?
• RQ2 상태 혼합은 라이드버그 준위 블로킹을 어느 정도 파괴하는가?
• RQ3 혼합 사건당 추가로 생성된 라이드버그 준위 이완은 몇 개인가?
• RQ4 정확한 F"orster 공 resonance 조건 근처에서 상태 혼합 메커니즘이 변화하는가?
• RQ5 블로킹 효율성에 악영향을 미치는 상태 혼합의 영향을 블로킹 강화 상호작용 에너지와 독립적으로 정량화할 수 있는가?

주요 결과

• 대부분의 디튜닝 조건에서 상태 혼합은 삼체 과정과 일치하며, 삼입자 만능에서 어두운 준위로의 광학적 펌핑 모델을 지지한다.
• 정확한 F"orster 공 resonance 조건 근처에서는 불리한 쌍 잠재력으로 인해 공진 쌍 이완이 지배하는 이중체 과정으로 혼합 메커니즘이 전환된다.
• 43D5/2 준위로 자극한 후 100 ns 이내에 최대 약 50%의 원자들이 두 개의 두 개의 두극자 결합 생성 준위(41F7/2 및 45P3/2)에 존재함을 발견하였다.
• 혼합 사건당 추가로 생성된 이완 수는 직접 측정되었으며, 사건당 하나의 이완이 생성됨을 확인하여 이중 원자 생성 준위의 형성이 확인되었다.
• 상태 혼합으로 인해 블로킹 효율성이 뚜렷이 저하되었으며, 이 영향은 원자 밀도 및 디튜닝에 따라 정량화되었다.
• 이중체 모델과 삼체 모델 간의 이질성을 정확한 공 resonance 조건 근처에서 메커니즘이 변화함을 보여줌으로써 해결되었다.