利用电子光解吸法实现里德伯原子阵列的电场噪声的压制

        主量子数为n》1的里德伯原子具有极大的跃迁偶极矩（n²），从而产生了几种独特而明显的原子性质。这些包括长程和强偶极-偶极相互作用（n⁴）、辐射寿命（n³）和很大的极化率（n⁷）。这些特性将里德伯原子与众多基础研究课题紧密联系在一起，其中包括量子模拟和量子信息处理，以及微波和太赫兹场的传感和成像，以及混合量子系统的形成。这表明里德伯原子已成为新兴量子技术的重要组成部分，并引起了人们对该领域的兴趣。

        然而，高里德伯能级对环境电场的波动高度敏感，尤其是原子离表面很近的情况下，这种现象尤为关键。表面产生的电场限制了里德伯原子的应用。因此，表征表面附近电场的起源是物理学各个领域非常关注的问题。在冷原子物理是实验中，所用的玻璃真空腔表面往往吸附了宏观数量的碱金属原子。之前的研究发现，这些吸附物会产生不稳定的宏观电场。除此之外，原子和里德伯原子会被光电离，生成的电子同样会产生不稳定的背景电场。因此，里德伯原子实验系统中出现的的背景电场起伏的根源往往是多种机制共同起作用导致的，具有复杂性。特别是不同里德伯激发激光方案中涉及到了不同的波长的激光的使用，也会产生不同的问题。

特别地，近年来结合单原子阵列以及阵列中可控的长程里德伯原子间的相互作用，中性原子体系在量子模拟和量子计算领域取得了重要进展。不同于直接将原子激发到寿命短的里德伯态，用非共振的激光实现基态原子与里德伯态之间的弱耦合，即里德伯缀饰态，则提供了一种非常方便的调控长寿命的基态原子间相互作用的方法，进而开展多体量子模拟的研究。相比借助中间态的双光子里德伯共振激发实验，处在紫外波段的单光子的里德伯缀饰实验一直是个挑战。在我们的研究中，我们利用297-nm激光将被囚禁在光偶极阱中的单个⁸⁷Rb原子激发到里德伯态53P_2/3。如下图所示：

图1：单光子里德伯激发的实验装置图

 

实验上，我们发现里德伯跃迁谱因环境电场波动而显著加宽。实验上发现无论是使用365-nm UV还是660-nm LED光照射真空腔都能有效地降低电场噪声，电场噪声可以从12±2 mV/cm减小为0.7±0.1 mV/cm。因此，里德伯态的相干性显著增强，使我们可以观测到两(四)个原子的完全里德伯阻塞状态下的集体激发。如下图所示：

图2：单原子相干激发

 

结合之前美国的研究人员发现，冷原子系综中的里德伯原子在黑体辐射电离产生的电子不仅可以中和碱金属吸附物产生的电场，而且这些电子可以有效的被低强度的400-nm LED光去除。结合660-nm LED的电场噪声去除效果，我们可以得到结论：实验中发现的电场噪声主要来源于电子。

为了探究电子的来源，我们通过将光诱导电子解离与额外的非共振297-nm激光相结合，我们观察到里德伯跃迁频率对额外的非共振297-nm激光的脉冲持续时间有很强的依赖性，如下图所示：

 

图3：跃迁频率对297-nm激光脉冲诱导的电场的依赖性。

这一观察结果提供了证据，表明电子是由297-nm激光的光电效应产生的，不同于以往的黑体辐射电离产生电子的理解。我们的研究结果对于利用里德伯缀饰原子阵列进行量子模拟以及开发具有里德伯原子的高保真量子门具有重要意义。该工作发表于Phys.Rev.Applied.22.064021(2024)。