Átomos de Rydberg, que são átomos em um estado altamente excitado, têm várias propriedades únicas e vantajosas, incluindo uma vida útil particularmente longa e grandes sensibilidades a campos externos. Essas propriedades os tornam valiosos para uma variedade de aplicações, por exemplo, para o desenvolvimento de tecnologias quânticas.

Para que os átomos de Rydberg sejam efetivamente usados ​​na tecnologia quântica, Contudo, os pesquisadores primeiro precisam ser capazes de capturá-los. Embora uma série de estudos tenham demonstrado a captura de átomos de Rydberg usando magnéticos, elétrico, ou tecnologia a laser, os tempos de captura alcançados até agora têm sido relativamente curtos, normalmente em torno de 100 μs.

Pesquisadores do Laboratoire Kastler Brossel (LKB) conseguiram recentemente um tempo de captura de laser 2-D mais longo de átomos circulares de Rydberg de até 10 ms. O método que eles empregaram, descrito em um artigo publicado em Cartas de revisão física , poderia abrir novas possibilidades interessantes para o desenvolvimento da tecnologia quântica.

"Nosso grupo de pesquisa no LKB é um dos poucos em todo o mundo que pode preparar e manipular níveis circulares de átomos de Rydberg, "Clément Sayrin, um dos pesquisadores que realizou o estudo, disse Phys.org. "Nosso grupo tem, na verdade, uma longa experiência no trabalho com átomos circulares de Rydberg, que remonta aos anos 1970/1980 e à obra de Serge Haroche. Uma parte significativa de nossas atividades de pesquisa agora é dedicada ao uso desses átomos em tecnologias quânticas. "

A maioria dos simuladores quânticos que empregam átomos de Rydberg desenvolvidos até agora usam átomos de Rydberg não circulares. Essas tecnologias foram pioneiras por um grupo de pesquisa no Institut d'Optique Graduate School (IOGS) em Palaiseau, liderado por Antoine Browaeys e Thierry Lahaye, bem como por uma equipe de Harvard liderada por Mikhail Lukin.

Embora esses simuladores tenham alcançado resultados notáveis, suas capacidades foram limitadas pelo fato de que os átomos Rydberg dentro deles não foram presos e, portanto, continuaram a se mover enquanto o sistema operava. O novo estudo conduzido por Sayrin, Michel Brune (diretor de pesquisa), Rodrigo Cortiñas (estudante de doutorado), Maxime Favier (estudante de pós-doutorado) e outros pesquisadores da LKB apresentam uma solução para este problema que envolve o uso de átomos circulares de Rydberg (ou seja, átomos em estados circulares de Rydberg) e uma técnica conhecida como captura a laser.

"Quando um átomo é excitado a um nível circular de Rydberg, pode ser razoavelmente descrito como um elétron que orbita longe do núcleo em uma órbita circular, uma órbita quase tão grande quanto uma bactéria, "Sayrin explicou." Portanto, o elétron está quase livre e os elétrons livres, como qualquer partícula carregada, são repelidos por campos de luz intensos. "

Os pesquisadores basicamente alavancaram o fato de que átomos circulares de Rydberg são repelidos por luz intensa para aprisionar os átomos. Para alcançar isto, eles produziram um feixe de luz em forma de donut, mais especificamente, um feixe de laser redondo com uma mancha escura no centro, onde os átomos ficariam presos.

"Se um elétron estiver no centro do donut, não pode escapar dele:está preso no feixe de luz, "Sayrin explicou." O núcleo pesado então apenas segue, atraído pelo elétron através da interação de Coulomb! De alguma forma, capturamos o átomo circular de Rydberg agarrando-o por seu elétron. "

Sayrin e seus colegas produziram o feixe em forma de rosquinha usando uma ferramenta conhecida como modulador de luz espacial (SLM). SLMs são objetos que podem imprimir padrões de fase em feixes de luz, o que, por sua vez, modifica a forma dessas vigas. Essas ferramentas exclusivas já foram amplamente utilizadas em projetores de vídeo para refletir imagens ou vídeos em superfícies.

"De alguma forma, fizemos nosso próprio projetor de vídeo para produzir o feixe de rosca, mas em vez de uma lâmpada como fonte, temos um poderoso laser infravermelho, e em vez de uma tela, iluminamos os átomos de Rydberg, "Disse Sayrin.

Até aqui, pesquisadores em todo o mundo só foram capazes de demonstrar as primeiras assinaturas do aprisionamento a laser de átomos não circulares, que não durou mais do que alguns microssegundos. Átomos de Rydberg circulares, por outro lado, nunca tinha sido preso a laser antes.

O estudo recente de Sayrin e seus colegas mostra que os átomos circulares de Rydberg podem, na verdade, ser preso a laser e para escalas de tempo notavelmente mais longas. Até aqui, os pesquisadores foram capazes de prender esses átomos por aproximadamente 10 milissegundos, no entanto, esse tempo de aprisionamento pode ser aumentado ainda mais em estudos futuros.

"Também mostramos que aprisionar os átomos circulares de Rydberg não afeta suas propriedades (por exemplo, tempo de vida, pureza, e coerência quântica), "Sayrin disse." Em particular, confirma o fato de que átomos circulares de Rydberg são imunes à fotoionização, ao contrário de outros níveis Rydberg. "

Os resultados podem ter inúmeras implicações importantes para o desenvolvimento de tecnologias quânticas, incluindo ferramentas para simulação quântica, de detecção, e processamento de informações. Na verdade, efetivamente mantendo átomos circulares de Rydberg no lugar enquanto os sistemas quânticos estão operando, como demonstrado em seu estudo, significa que esses átomos poderiam ser usados ​​por mais tempo. Isso pode, em última análise, aumentar o desempenho de diferentes tecnologias quânticas, por exemplo, aumentando a sensibilidade dos sensores, aumentando o tempo de simulação de simuladores, e assim por diante.

Sayrin e seus colegas estão agora planejando realizar uma série de átomos de Rydberg circulares presos a laser. Para alcançar isto, eles vão preparar uma série de pinças ópticas com um orifício no centro, uma estrutura conhecida como 'armadilha de viga de garrafa ".

"Ao capturar um e apenas um átomo de Rydberg circular em cada garrafa, separados por alguns mícrons, vamos produzir uma matriz regular de átomos de Rydberg circulares em interação, "Sayrin explicou." Isso vai realizar um simulador quântico de spins interagindo que deve nos permitir executar simulações em escalas de tempo sem precedentes. "

© 2020 Science X Network