[论文解读] 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 3

一句话总结

本研究利用逐 shot状态选择性场电离光谱法，量化了超冷铷原子中里德堡激发阻塞效应受态混杂的影响。研究发现，靠近F"orster共振时，态混杂主要为三体过程，但在精确共振附近，两体共振对激发占主导，从而解决了长期存在的机制争议，并量化了其对阻塞保真度的影响。

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.

研究动机与目标

• 解决长期争议：即靠近F"orster共振时态混杂是两体过程还是三体过程。
• 量化态混杂对里德堡激发阻塞效率的破坏程度。
• 分离共振附近增强阻塞与破坏性态混杂之间的竞争效应。
• 通过事件级检测测量每次混杂事件所增加的额外里德堡激发数。

提出的方法

• 采用状态选择性场电离（SSFI）光谱法，逐 shot 检测里德堡态布居数。
• 测量在窄带激光激发铷原子至nD5/2态时，所激发的里德堡态的分布。
• 通过追踪至(n−2)F7/2和(n+2)P3/2产物态的跃迁，分析每次混杂事件所增加的激发数。
• 将实验测得的混杂速率与两体和三体过程的理论预测进行比较。
• 采用高分辨率探测方案，分辨单个激发事件，并区分单激发与多激发结果。
• 在不同原子密度及精确F"orster共振附近进行测量，以探测机制之间的转变。

实验结果

研究问题

• RQ1 靠近F"orster共振时，态混杂主要是两体过程还是三体过程？
• RQ2 态混杂在多大程度上破坏了里德堡激发阻塞？
• RQ3 每次混杂事件会产生多少额外的里德堡激发？
• RQ4 在精确F"orster共振附近，态混杂的机制是否发生变化？
• RQ5 能否独立于阻塞增强的相互作用能，量化态混杂对阻塞效率的负面影响？

主要发现

• 在大多数失谐下，态混杂与三体过程一致，支持三粒子体系中通过光学泵浦至暗态的模型。
• 在精确F"orster共振附近，由于不利的对势导致共振对激发占主导，混杂机制转变为两体过程。
• 在激发至43D5/2后的100 ns内，多达约50%的原子处于偶极耦合的产物态（41F7/2和45P3/2）。
• 通过直接测量每次混杂事件所增加的激发数，发现每事件增加一个激发，证实了双原子产物态的形成。
• 态混杂显著降低了阻塞效率，其影响随原子密度和失谐程度而量化。
• 通过证明机制取决于接近精确共振的程度，解决了先前两体与三体模型之间的分歧。