研究实现了圆里德伯态的光学相干操纵

　　在没有激光脉冲的情况下，Rydberg电子以圆形轨迹（蓝色箭头）绕原子核运行。（b）当激光脉冲将内部电子转移到激发轨道时，静电力将Rydberg电子推离更大的轨道，在那里它旋转得更慢。图片来源：Eva-Katharina Dietsche
　　里德伯原子是激发原子，包含一个或多个具有高主量子数的电子。由于它们的大尺寸，长距离偶极子 - 偶极子相互作用以及与外部场的强耦合，这些原子已被证明是量子技术发展的有前途的系统。
　　尽管它们具有优势，但物理学家发现，光学上可访问的Rydberg态往往具有较短的寿命，这限制了它们在量子技术中的表现。这个问题的一个可能的解决方案可能是使用具有更长寿命的圆形Rydberg状态，但到目前为止，它们的光学检测已被证明是困难的。
　　ENS-University PSL，Sorbonne Université，Paris-Saclay大学和Universidade Federal de São Carlos的研究人员最近展示了使用光脉冲对圆形Rydberg状态的相干操纵。他们的结果在发表在《 自然物理学》上的 一篇论文中有所概述，可以为量子技术混合光学微波平台的开发开辟新的可能性。
　　＂碱土原子对于Rydberg物理学来说很有趣，因为一旦第一个电子处于Rydberg状态，它们就有第二个电子，仍然可以用于用激光操纵原子，＂进行这项研究的研究人员之一Sébastien Gleyzes告诉 Phys.org。＂然而，一个问题是，如果Rydberg电子的＂轨迹＂（即它的波函数）太椭圆，当第二个电子被激光激发时，两个电子可以碰撞，从而导致原子的自电离。
　　在他们的实验中，Gleyzes和他的同事们使用了圆形Rydberg态，其中Rydberg原子的轨迹/波函数距离离子核心＂一个圆＂。由于这种圆形组织，当原子内的第二个电子被激发时，它与第一个电子碰撞的可能性非常小。
　　＂我们最初的目标是证明我们可以在没有原子电离的情况下激发第二个电子，＂Gleyzes说。＂然而，在实验过程中，我们观察到两个圆形Rydberg状态之间的跃迁频率是不同的，这取决于第二个电子是否处于激发态。
　　实验设置的图片，然后将其密封在低温恒温器内并用液氦冷却。图片来源：Eva-Katharina Dietsche。
　　从本质上讲，研究人员发现，即使Rydberg原子内的两个价电子在圆形Rydberg状态下彼此相距甚远，但它们仍然可以通过静电力＂感觉到彼此的存在＂。然后，他们表明，两个电子之间的这种＂静电耦合＂可以用来使用光脉冲相干地操纵圆形里德伯态。
　　＂在经典图片中，Rydberg电子旋转的频率取决于离子核心电子的状态（让我们称之为＂向上＂或＂向下＂），＂Gleyzes解释说。＂我们在轨道上的给定位置准备了电子，并等待了一段时间T，使得如果离子核心处于＂向下＂，Rydberg电子就会旋转整数次。为了在光学上改变Rydberg电子的状态，我们用激光脉冲瞬态地将离子核心电子发送到其他状态（＂up＂）。
　　通过将离子核心电子送入第二个期望状态，研究人员减慢了电子的运动，最终在等待时间结束时（即T）最终到达轨道的另一侧。换句话说，他们能够通过施加或移除激光脉冲来控制Rydberg电子的状态（在轨道的一侧和另一侧之间波动）。
　　＂我们认为碱土Rydberg原子会很有趣，因为一个电子将用于量子过程，另一个电子将用于控制原子的运动（冷却原子或捕获原子），＂Gleyzes说。＂不过，在我们研究之前，我们认为它们会独立工作。
　　这组研究人员引入的光学操纵碱土圆形Rydberg态的技术可以为量子技术的发展开辟有趣的可能性。事实上，他们的工作首次表明碱土里德伯原子内的两个价电子不是完全独立的，因此科学家可以使用其中一个来操纵另一个或检测另一个的状态。
　　＂将离子核心电子的荧光调节为Rydberg电子状态的可能性非常有希望，例如，如果人们想要无损地测量Rydberg电子的状态，＂Gleyzes补充道。＂我们团队的长期目标是建立一个基于碱土原子循环态的量子模拟器。