[论文解读] Microwave probes Dipole Blockade and van der Waals Forces in a Cold Rydberg Gas

R Teixeira, Carla Hermann-Avigliano+6 more|arXiv (Cornell University)|Feb 14, 2015

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates被引用 6

一句话总结

本研究利用微波光谱学直接测量了超导原子芯片上密集的超冷里德堡气体中范德瓦尔斯相互作用能的分布，揭示了由排斥性偶极-偶极力驱动的动力学膨胀。该方法展示了冻结气体近似的失效，并实现了对偶极阻塞 regime 中多体动力学的实现实时观测，为自旋链和相变的量子模拟提供了新途径。

ABSTRACT

We show that microwave spectroscopy of a dense Rydberg gas trapped on a superconducting atom chip in the dipole blockade regime reveals directly the dipole-dipole many-body interaction energy spectrum. We use this method to investigate the expansion of the Rydberg cloud under the effect of repulsive van der Waals forces and the breakdown of the frozen gas approximation. This study opens a promising route for quantum simulation of many-body systems and quantum information transport in chains of strongly interacting Rydberg atoms.

研究动机与目标

• 使用微波光谱学直接测量密集里德堡气体中范德瓦尔斯相互作用能的分布。
• 研究由于排斥性偶极-偶极相互作用导致的里德堡原子云的动力学膨胀。
• 检验在偶极阻塞区域中冻结气体近似的有效性。
• 开发一种诊断工具，用于观测里德堡量子模拟器中的自组织与动力学相变。
• 实现利用强关联里德堡原子对相互作用自旋链的高保真度量子模拟。

提出的方法

• 利用微波光谱学探测偶极阻塞区域中最多 80 个里德堡原子的相互作用能谱。
• 通过波长为 780 nm 和 480 nm 的激光，采用受控失谐的双光子拉曼跃迁，相干激发里德堡态（60S）。
• 超导原子芯片提供强磁场和电场约束，实现长里德堡态相干时间与精确控制。
• 采用 90% 效率的场致电离探测，测量微波探测后的最终里德堡原子数密度。
• 蒙特卡罗模拟建模激发过程，并积分牛顿运动方程以预测原子膨胀动力学。
• 对相互作用能谱进行时间分辨测量，追踪 100 µs 内多体相互作用的演化。

实验结果

研究问题

• RQ1 在微波光谱学下，密集里德堡气体中范德瓦尔斯相互作用能的分布如何表现？
• RQ2 由于排斥性偶极-偶极相互作用，里德堡原子云的膨胀程度如何？这如何影响冻结气体近似？
• RQ3 多体里德堡系统中平均相互作用能的时间演化为何？与单对模型相比有何差异？
• RQ4 微波光谱学能否分辨从关联多体态到动能主导态的动力学转变？
• RQ5 相干激发过程与集体动力学如何影响阻塞区域中观测到的相互作用能谱？

主要发现

• 微波光谱学直接揭示了密集里德堡气体的相互作用能谱，通过谱线展宽和能级位移证实了偶极阻塞区域的存在。
• 在失谐为 1 MHz 时，每个原子的平均相互作用能达约 50 µK，显著超过初始温度 500 nK。
• 里德堡原子云随时间发生流体动力学式膨胀，相互作用能降低，谱线变窄，同时动能增加。
• 时间分辨测量显示，膨胀速度远慢于单对模型预测，表明存在集体多体动力学。
• 包含有限里德堡态寿命（210 µs）的蒙特卡罗模型与实验数据吻合良好，尽管略微低估了初始相互作用能。
• 在 ∆ = 2 MHz 处观测到双峰结构，归因于表面外层原子的未改变相互作用能，表明模型尚未完全捕捉到相干对激发效应。