Manipulation optique et ralentissement laser d'atomes de Rydberg circulaires du strontium

Optical coherent manipulation and laser cooling of circular Rydberg atoms of strontium

• Auteur / Autrice : Léa Lachaud
• Direction : Sébastien Gleyzes
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Physique
• Date : Inscription en doctorat le 01/09/2019
• Etablissement(s) : Université Paris sciences et lettres
• Ecole(s) doctorale(s) : Physique en Ile de France
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Kastler Brossel (Paris ; 1998-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : École normale supérieure (Paris ; 1985-....)

Mots clés

Mots clés libres

Atomes de Rydberg

Ralentissement laser

Alcalino-terreux

Manipulation cohérente

Auto-ionisation

Simulation quantique

Rydberg atoms

Laser cooling

Alkaline-earth

Coherent manipulation

Autoionization

Quantum simulation

Résumé

1. Contexte Les atomes de Rydberg sont des atomes « géants », correspondants à des états atomiques très excités dans lesquels un des électrons de valence se trouve à une très grande distance du noyau. Leurs propriétés remarquables (un long temps de vie, un très grand couplage au champ électromagnétique, un grand dipôle électrique qui permet aux atomes d'interagir très fortement entre eux...) en font une plateforme privilégiée pour les technologies quantiques. Plusieurs groupes dans le monde ont notamment implémenté des portes logiques quantiques [1] ou observé des effets d'optique non-linéaire à l'échelle du photon unique [2] en excitant les atomes dans des niveaux de Rydberg de faible moment angulaire. Depuis plusieurs années, notre équipe a développé des méthodes de préparation d'atomes de Rydberg de grand moment angulaire, appelés atomes de Rydberg circulaires. Ils correspondent à des états électroniques pour lequel la densité de présence de l'électron est localisée le long de l'orbite « classique » du modèle de l'atome de Bohr. Cette trajectoire, très stable, fait que les états de Rydberg circulaires ont de temps de vie près de deux ordres de grandeur plus grand que les états de Rydberg de faible moment angulaire. Couplés à des cavités micro-ondes de très grand facteur de surtension, ces atomes ont permis de détecter de façon non-destructive la présence de photons uniques piégés dans le mode du résonateur [3]. Plus récemment, nous avons montré comment, en modifiant avec des champs radiofréquences la forme de l'orbite électronique, nous pouvions préparer des états très non classiques de l'électron qui permettent de mesurer des champs électriques [4] ou magnétiques [5] avec une très grande sensibilité, bien au delà de la limite quantique standard. Finalement, nous développons aujourd'hui un simulateur quantique utilisant des chaines d'atomes circulaires piégés pour simuler la dynamique d'un ensemble de spins ½ [6]. Aujourd'hui, la plupart des expériences étudiant la physique des atomes de Rydberg utilisent des atomes de Rydberg d'éléments alcalins, qui n'ont qu'un seul électron sur leur couche de valence. Une fois cet électron dans un état de Rydberg, l'atome devient complètement transparent dans le domaine optique, et ne peut plus interagir avec la lumière laser. 2. Projet Le but de ce projet est de développer un nouveau dispositif expérimental pour préparer des états de Rydberg du Strontium. Le strontium étant un élément alcalino-terreux, il possède deux électrons sur sa couche de valence. Une fois le premier électron amené dans un état de Rydberg, on peut encore exciter le second électron au moyen de transitions optiques. En principe, l'état final doublement excité n'est pas stable : en cas de collision entre les deux électrons de valence, l'électron le plus proche a suffisamment d'énergie pour ioniser l'électron de Rydberg. Toutefois, ce taux d'auto-ionisation, qui peut atteindre 1012 s-1 pour des niveaux de Rydberg de faible nombre quantique orbital l, décroit très rapidement à mesure que le moment angulaire de l'électron Rydberg augmente. Il doit être négligeable pour les états de Rydberg circulaires. L'objectif de la thèse est donc de préparer des états circulaires de l'atome de strontium et d'utiliser la transition du coeur ionique pour détecter par fluorescence les atomes de Rydberg, puis pour les refroidir et les piéger grâce aux forces exercées par la lumière. La possibilité de détecter optiquement l'état des atomes est particulièrement intéressante pour les expériences de métrologie quantique basée sur les atomes de Rydberg. Jusqu'à présent, la mesure de l'état de la sonde se faisait de façon destructive en ionisant l'atome. La détection par imagerie va permettre d'améliorer de plusieurs ordres de grandeur la résolution spatiale de ces senseurs quantiques, voire même d'enregistrer directement une carte des variations des champs électriques ou magnétiques que l'on souhaite mesurer. A plus long terme, la possibilité de piéger ou de refroidir les atomes après que ceux-ci ont été préparés dans les niveaux de Rydberg ouvre des perspectives pour la simulation quantique de spins en interaction. En effet, le couplage dipolaire, qui est à la base du fonctionnement des simulateurs quantiques utilisant des atomes de Rydberg [6,7,8], induit aussi des forces mécaniques qui font que les atomes s'attirent ou repoussent. Pour observer par exemple la dynamique à temps long d'une chaine de spins, il est donc crucial de pouvoir piéger les atomes. L'utilisation d'atomes circulaires du strontium permettrait non seulement de tenir les atomes de Rydberg dans des pinces optiques mais aussi de les refroidir périodiquement afin de les maintenir dans le niveau fondamental de vibration du piège même en présence de chauffage. Cela ouvrirait la voie à l'étude les dynamiques de la chaîne sur des échelles de temps aujourd'hui totalement inaccessibles. 3. Méthode Notre équipe a acquis une très grande expertise de la préparation des atomes de Rydberg. Nous avons notamment développé durant ces dernières années un montage dans lequel nous utilisons des champs radiofréquences de polarisation bien définie pour manipuler l'état de l'atome de façon cohérente et contrôlée à l'intérieur d'une multiplicité donnée [9] afin de préparer des états non classiques de l'atome [10] intéressants pour la métrologie [4,5]. Durant la première partie de la thèse, nous adapterons le montage expérimental actuel pour pouvoir y étudier les atomes de Rydberg de strontium. Cela signifie notamment qu'il nous faudra changer la source atomique actuelle en un four émettant un jet de strontium, et construire un nouveau système laser adapté aux transitions de cet élément. Une fois les atomes préparés dans un niveau de Rydberg de faible moment angulaire, nous appliquerons un champ électrique statique pour lever la dégénérescence entre les états de la multiplicité, et nous utiliserons un champ radiofréquence polarisé pour les transférer vers les états de Rydberg circulaires. Nous tenterons alors d'exciter le second électron de valence pour mesurer le taux d'auto-ionisation de l'état doublement excité et vérifier qu'il est négligeable pour les atomes circulaires. Toutefois, cette expérience, basée sur un jet d'atomes thermiques, ne permettra pas encore de voir la fluorescence des atomes de Rydberg. Pour cela, nous devrons construire une seconde expérience dans laquelle les atomes de strontium seront préparés dans les états de Rydberg à partir d'un nuage d'atomes lents. Les méthodes de refroidissement et de piégeage du strontium dans l'état fondamental sont aujourd'hui bien connues, et la construction de ce nouveau dispositif expérimental devrait s'achever au cours de la deuxième année de thèse. Lorsqu'ils seront refroidis, les atomes seront suffisamment immobiles pour que, une fois excités dans les niveaux de Rydberg, on puisse détecter un nombre raisonnable de photons de fluorescence avant que l'atome ne sorte du champ de la caméra d'imagerie. Nous pourrons alors pour la première fois « voir » un atome de Rydberg circulaire. Nous étudierons alors comment il est possible d'utiliser la lumière pour piéger et refroidir encore les atomes. Références [1] Saffman, M., Walker, T. G., & Mølmer, Quantum information with Rydberg atoms. Reviews of Modern Physics, 82(3), 2313. . (2010). [2] Chang, D. E., Vuletić, V., & Lukin, M. D. Quantum nonlinear optics—photon by photon. Nature Photonics, 8(9), 685. (2014). [3] S. Gleyzes, S. Kuhr, C. Guerlin, J. Bernu, S. Deléglise, U. B. Hoff, M. Brune, J. M. Raimond, et S. Haroche, Quantum jumps of light recording birth and death of a photon in a cavity, Nature 446, 297 (2007), [4] Facon, A., Dietsche, E.-K., Grosso, D., Haroche, S., Raimond, J.-M., Brune, M., Gleyzes, S., A quantum-enabled Rydberg atom electrometer, Nature, 535, 262–265 (2016) [5] E. K. Dietsche, A. Larrouy, S. Haroche, J. M. Raimond, M. Brune & S. Gleyzes, High-sensitivity magnetometry with a single atom in a superposition of two circular Rydberg states Nature Physics, DOI : 10.1038/s41567-018-0405-4, (2019) [6] Towards quantum simulation with circular Rydberg atoms, T.L. Nguyen, J.M. Raimond, C. Sayrin, R. Cortiñas, T. Cantat-Moltrecht, F. Assemat, I. Dotsenko, S. Gleyzes, S. Haroche, G. Roux, T. Jolicoeur and M. Brune, Phys. Rev. X 8, 011032 (2017) [7] Barredo, D., Lienhard, V., De Léséleuc, S., Lahaye, T., & Browaeys, A. (2018). Synthetic three-dimensional atomic structures assembled atom by atom. Nature, 561(7721), 79. [8] Bernien, H., Schwartz, S., Keesling, A., Levine, H., Omran, A., Pichler, H., ... & Vuletić, V. (2017). Probing many-body dynamics on a 51-atom quantum simulator. Nature, 551(7682), 579. [9] Coherent Transfer between Low-Angular-Momentum and Circular Rydberg States, A. Signoles, E.-K. Dietsche, A. Facon, D. Grosso, S. Haroche, J.-M. Raimond, M. Brune and S. Gleyzes, Phys. Rev. Lett. 118, 253603 (2016) [10] Confined quantum Zeno dynamics of a watched atomic arrow A. Signoles, A. Facon, D. Grosso, I. Dotsenko, S. Haroche, J.M. Raimond, M. Brune and S. Gleyzes, Nature Physics, 10, 715 (2014)

1. Context Rydberg atoms are « huge » atoms, corresponding to very excited atomic states in which one of the valence electrons is located at a very long distance from the nucleus. Their remarkable properties (a long life time, a very large coupling to the electromagnetic field, a large electric dipole that allows atoms to interact very strongly with each other...) make them a preferred platform for quantum technologies. Several groups in the world have implemented quantum logic gates [1] or observed non-linear optical effects at the single photon scale [2] by exciting atoms in low angular Rydberg levels. For several years, our team has been developing methods for the preparation of large angular momentum Rydberg atoms, called circular Rydberg atoms. They correspond to electronic states for which the electron's presence density is located along the «classical» orbit of the Bohr atom model. This trajectory, very stable, makes the circular Rydberg states have life time of nearly two orders of magnitude greater than the low angular Rydberg states. Coupled with microwave cavities of very high surge factor, these atoms allowed non-destructive detection of the presence of unique photons trapped in the resonator mode [3]. More recently, we have shown how, by altering the shape of the electronic orbit with radiofrequency fields, we can prepare very unconventional states of the electron that allow the measurement of electric fields [4] or magnetic [5] with very high sensitivity, well beyond the standard quantum limit. Finally, we are now developing a quantum simulator using trapped circular atom chains to simulate the dynamics of a set of ½ spins [6]. Today, most experiments studying the physics of Rydberg atoms use Rydberg atoms of alkaline elements, which have only one electron on their valence layer. Once this electron in a Rydberg state, the atom becomes completely transparent in the optical field, and can no longer interact with laser light. 2. Project The goal of this project is to develop a new experimental device to prepare Strontium Rydberg states. Since strontium is an alkaline-earth element, it has two electrons on its valence layer. Once the first electron is brought into a Rydberg state, the second electron can still be excited by optical transitions. In principle, the doubly excited end state is not stable: in the event of a collision between the two valence electrons, the nearest electron has enough energy to ionize the Rydberg electron. However, this rate of auto-ionization, which can reach 1012 s-1 for low orbital quantum Rydberg levels, decreases very rapidly as the angular moment of the Rydberg electron increases. It must be negligible for circular Rydberg states. The objective of the thesis is therefore to prepare circular states of the strontium atom and to use the transition of the ionic heart to detect by fluorescence the Rydberg atoms, then to cool and trap them with the forces of light. The possibility of optically detecting the state of atoms is particularly interesting for experiments in quantum metrology based on Rydberg atoms. Until now, the probe's state was measured in a destructive way by ionizing the atom. Imaging detection will improve the spatial resolution of these quantum sensors by several orders of magnitude, or even to record directly a map of the variations of the electric or magnetic fields that one wishes to measure. In the longer term, the possibility of trapping or cooling atoms after they have been prepared in Rydberg levels opens up prospects for quantum simulation of interacting spins. In fact, dipolar coupling, which is the basis of the operation of quantum simulators using Rydberg atoms [6,7,8], also induces mechanical forces that cause atoms to attract or repel. For example, to observe the long-time dynamics of a spins chain, it is therefore crucial to be able to trap atoms. The use of circular strontium atoms would not only hold the Rydberg atoms in optical clamps but also periodically cool them to keep them in the fundamental level of vibration of the trap itself in the presence of heating. This would pave the way for studying the dynamics of the chain on time scales that are now totally inaccessible. 3. Method Our team has acquired a great deal of expertise in the preparation of Rydberg atoms. In recent years we have developed a montage in which we use well-defined radiofrequency polarization fields to manipulate the state of the atom in a coherent and controlled way within a multiplicity given [9] to prepare unconventional states of the atom [10] of interest for metrology [4,5]. During the first part of the thesis, we will adapt the current experimental montage for to be able to study the Rydberg atoms of strontium. This means in particular that we will have to change the current atomic source into a strontium-emitting furnace, and build a new laser system adapted to the transitions of this element. Once the atoms are prepared in a low angular Rydberg level, we will apply a static electric field to lift the degeneration between states of multiplicity, and we'll use a polarized radiofrequency field to transfer them to circular Rydberg states. We will then try to excite the second valence electron to measure the rate of auto-ionization of the doubly excited state and verify that it is negligible for circular atoms. However, this experiment, based on a jet of thermal atoms, will not yet show the fluorescence of the Rydberg atoms. For this, we will have to build a second experiment in which strontium atoms will be prepared in the Rydberg states from a cloud of slow atoms. The methods of cooling and trapping of strontium in the basic state are now well known, and the construction of this new experimental device should be completed in the second year of thesis. When cooled, the atoms will be immobile enough that, once excited in the Rydberg levels, a reasonable number of fluorescence photons can be detected before the atom leaves the field of the imaging camera. We then for the first time «see» a circular Rydberg atom. We will then study how it is possible to use light to trap and cool atoms again. 4. References [1] Saffman, M., Walker, T. G., & Mølmer, Quantum information with Rydberg atoms. Reviews of Modern Physics, 82(3), 2313. (2010). [2] Chang, D. E., Vuletić, V., & Lukin, M. D. Quantum nonlinear optics—photon by photon. Nature Photonics, 8(9), 685. (2014). [3] S. Gleyzes, S. Kuhr, C. Guerlin, J. Bernu, S. Deléglise, U. B. Hoff, M. Brune, J. M. Raimond, and S. Haroche, Quantum jumps of light recording and death of a photon in a cavity, Nature 446, 297 (2007), [4] Facon, A., Dietsche, E-K., Grosso, D., Haroche, S., Raimond, J.-M., Brune, M., Gleyzes, S., A quantum-enabled-Rydberg atom electrometer, Nature, 535, 262–265 (2016) [5] E. K. Dietsche, A. Larrouy, S. Haroche, J. M. Raimond, M. Brune & S. Gleyzes, High-sensitivity magnetometry with a single atom in a superposition of two circular Rydberg states Nature Physics, DOI : 10.1038/s41567-018-0405-4, (2019) [6] Towards quantum simulation with circular Rydberg atoms, T.L. Nguyen, J.M. Raimond, C. Sayrin, R. Cortiñas, T. Cantat-Moltrecht, F. Assemat, I. Dotsenko, S. Gleyzes, S. Haroche, G. Roux, T. Jolicoeur and M. Brune, Phys. Rev. X 8, 011032 (2017) [7] Barredo, D., Lienhard, V., De Léséleuc, S., Lahaye, T., & Browaeys, A. (2018). Synthetic three-dimensional atomic structures assembled atom by atom. Nature, 561(7721), 79. [8] Bernien, H., Schwartz, S., Keesling, A., Levine, H., Omran, A., Pichler, H., ... & Vuletić, V. (2017). Probing many-body dynamics on a 51-atom quantum simulator. Nature, 551(7682), 579. [9] Coherent Transfer between Low-Angular-Momentum and Circular Rydberg States, A. Signoles, E.-K. Dietsche, A. Facon, D. Grosso, S. Haroche, J.-M. Raimond, M. Brune and S. Gleyzes, Phys. Rev. Lett. 118, 253603 (2016) [10] Confined quantum Zeno dynamics of a watched atomic arrow A. Signoles, A. Facon, D. Grosso, I. Dotsenko, S. Haroche, J.M. Raimond, M. Brune and S. Gleyzes, Nature Physics, 10, 715 (2014)