Les atomes de Rydberg sont des atomes excités qui contiennent un ou plusieurs électrons avec un nombre quantique principal élevé. En raison de leur grande taille, de leurs interactions dipôle-dipôle à longue portée et de leur fort couplage aux champs externes, ces atomes se sont révélés être des systèmes prometteurs pour le développement des technologies quantiques.
Malgré leurs avantages, les physiciens ont découvert que les états de Rydberg optiquement accessibles ont tendance à avoir une courte durée de vie, ce qui limite leurs performances dans la technologie quantique. Une solution possible à ce problème pourrait être d’utiliser des états de Rydberg circulaires, avec des durées de vie plus longues, mais jusqu’à présent leur détection optique s’est avérée difficile.
Des chercheurs de l’ENS-Université PSL, de Sorbonne Université, de l’Université Paris-Saclay et de l’Université Fédérale de São Carlos ont récemment démontré la manipulation cohérente d’un état de Rydberg circulaire à l’aide d’impulsions optiques. Leurs résultats, présentés dans un article publié dans Physique naturellepourrait ouvrir de nouvelles possibilités pour le développement d’une plateforme hybride optique-micro-ondes pour les technologies quantiques.
« Les atomes d’alcalino-terreux sont intéressants pour la physique de Rydberg, car une fois que le premier électron est dans l’état de Rydberg, ils ont un deuxième électron qui peut encore être utilisé pour manipuler l’atome avec des lasers », Sébastien Gleyzes, l’un des chercheurs qui a réalisé l’étude, a déclaré Phys.org. « Cependant, un hic est que, si la « trajectoire » de l’électron de Rydberg (c’est-à-dire sa fonction d’onde) est trop elliptique, lorsque le deuxième électron est excité par le laser, les deux électrons peuvent entrer en collision, ce qui conduit à l’auto-ionisation du atome. »
Dans leurs expériences, Gleyzes et ses collègues ont utilisé des états circulaires de Rydberg, états dans lesquels la trajectoire/fonction d’onde d’un atome de Rydberg est « à un cercle » du noyau ionique. En raison de cette organisation circulaire, lorsqu’un deuxième électron à l’intérieur de l’atome est excité, il y a très peu de chances qu’il entre en collision avec le premier.
« Notre objectif initial était de démontrer que nous pouvions exciter le deuxième électron sans que l’atome ne s’ionise », a déclaré Gleyzes. « Cependant, au cours de l’expérience, nous avons observé que la fréquence de transition entre deux états circulaires de Rydberg était différente selon que le deuxième électron était dans un état excité ou non. »
Essentiellement, les chercheurs ont découvert que même si les deux électrons de valence à l’intérieur d’un atome de Rydberg restent éloignés l’un de l’autre dans des états circulaires de Rydberg, ils peuvent toujours « sentir la présence de l’autre » grâce à la force électrostatique. Ils ont ensuite montré que ce « couplage électrostatique » entre les deux électrons pouvait être utilisé pour manipuler de manière cohérente l’état circulaire de Rydberg à l’aide d’impulsions optiques.
« Dans une image classique, la fréquence à laquelle l’électron de Rydberg tourne dépend de l’état de l’électron du noyau ionique (appelons-le ‘haut’ ou ‘bas’) », a expliqué Gleyzes. « Nous avons préparé l’électron à une position donnée sur l’orbite et attendu un temps T tel que l’électron de Rydberg fasse un nombre entier de rotations si le noyau ionique est en ‘bas’. Pour changer optiquement l’état de l’électron de Rydberg, nous avons transitoirement envoyer l’électron du noyau ionique dans un autre état (« haut ») avec une impulsion laser. »
En envoyant l’électron du noyau ionique dans le deuxième état souhaité, les chercheurs ont ralenti le mouvement de l’électron, qui finit par se retrouver de l’autre côté de l’orbite à la fin du temps d’attente (c’est-à-dire T). En d’autres termes, ils ont pu contrôler l’état de l’électron de Rydberg (qui fluctuait d’un côté à l’autre de l’orbite) en appliquant ou en supprimant une impulsion laser.
« Nous pensions que les atomes de Rydberg alcalino-terreux seraient intéressants car un électron serait utilisé pour les processus quantiques et l’autre électron serait utilisé pour contrôler le mouvement de l’atome (refroidir l’atome ou piéger l’atome) », a déclaré Gleyzes. « Avant notre étude, cependant, nous pensions qu’ils travailleraient de manière indépendante. »
La technique de manipulation optique des états de Rydberg circulaires alcalino-terreux introduite par cette équipe de chercheurs pourrait ouvrir des perspectives intéressantes pour le développement de la technologie quantique. En fait, leur travail est le premier à montrer que les deux électrons de valence à l’intérieur des atomes de Rydberg alcalino-terreux ne sont pas entièrement indépendants, ainsi les scientifiques pourraient utiliser l’un d’eux pour manipuler l’autre ou pour détecter les états de l’autre.
« La possibilité de conditionner la fluorescence de l’électron central ionique à l’état de l’électron de Rydberg est extrêmement prometteuse, par exemple si l’on veut mesurer l’état de l’électron de Rydberg de manière non destructive », a ajouté Gleyzes. « L’objectif à long terme de notre équipe est de construire un simulateur quantique basé sur les états circulaires des atomes alcalino-terreux. »
Andrea Muni et al, Manipulation cohérente optique des états de Rydberg circulaires alcalino-terreux, Physique naturelle (2022). DOI : 10.1038/s41567-022-01519-w
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