Spatial and temporal correlations in cold Rydberg gases

Abstract

Rydberg atoms, i.e. atoms with one or more highly excited electrons, show exaggerated properties compared to ground state atoms. For example, their energy levels are very sensitive to external electric fields (Stark effect) and they exhibit strong interatomic interactions, which can lead to a suppression of excitation known as the Rydberg blockade. The latter property makes Rydberg atoms promising candidates for quantum simulation and quantum computing. This work describes the direct observation of the excitation blockade for highly Stark-shifted Rydberg atoms induced by controllable dipole-dipole interactions. We investigate the electric field region around and above the classical ionization threshold, which is typically not considered suitable for blockade experiments. We excite Rydberg atoms in the energy region corresponding to the unperturbed 43S1/2 state at electric fields around 127V/cm out of a magneto-optically trapped cloud of 87Rb atoms with a temperature of 150 μK. We tune the dipole-dipole interaction by the applied electric field thus changing the electric dipole moment of the excited state. The position of the Rydberg atoms is detected by ionization and subsequent ion imaging; the controlled ionization of the atoms is achieved by adiabatic transfer of the Rydberg state to an ionizing state. For the spatially resolved detection of the atoms, a high resolution ion microscope for cold atoms has been developed and experimentally characterized. It features a maximum magnification of 1000 and sub-micrometer spatial resolution. A theoretical treatment of highly Stark-shifted Rydberg states is developed introducing a complex absorbing potential. It is capable of predicting the ionization rates of the Rydberg states for a wide range of electric fields and energies with only one free parameter. Together with the numerical calculations, measurements of the ionization spectra for different Rydberg states are presented. The 43S1/2 state is measured in an electric-field range from 125V/cm to 165V/cm (classical ionization limit 127V/cm), the 70S1/2 state in an electric-field range from 15V/cm to 35V/cm (classical ionization limit 16.1V/cm) and the 100S1/2 state in an electric-field range from 7V/cm to 19V/cm (classical ionization limit 3.7V/cm). Our results show an intricate energy level structure with broad, strongly ionizing states as well as sharp, nearly non-ionizing states. The numerical calculations are also used for the prediction of selective field ionization spectra and the results are used to identify Förster resonances in the Stark spectrum of the 45D5/2 state. Complementary to the spatially resolved measurements in high electric fields, the Rydberg blockade effect is also observed via the excitation number statistics at Förster resonances.

Rydbergatome, d.h. Atome mit einem oder mehreren hochangeregten Elektronen, weisen überhöhte Eigenschaften im Vergleich zu Grundzustandsatomen auf. So sind zum Beispiel ihre Energieniveaus sehr empfindlich auf externe elektrische Felder (Stark-Effekt) und sie zeigen starke interatomare Wechselwirkungen, was zu einer Anregungsunterdrückung führen kann, die als Rydberg-Blockade bekannt ist. Letztere Eigenschaft macht Rydbergatome zu vielversprechenden Kandidaten für Quantensimulation und Quantencomputing. Die vorliegende Arbeit beschreibt die direkte Beobachtung der Anregungsblockade für hochgradig Stark-verschobene Rydbergatome induziert durch eine kontrollierbare Dipol-Dipol Wechselwirkung. Dabei wird der elektrischen Feldbereich um und über der klassischen Ionisierungsgrenze untersucht, welcher typischerweise nicht für Blockadeexperimente in Betracht gezogen wird. Rydbergatome werden im Energiebereich zugehörig zum unverschobenen 43S1/2-Zustand in elektrischen Feldern um 127V/cm aus einer magneto-optisch gefangenen Wolke bestehend aus 87Rb Atomen mit einer Temperatur von 150 μK angeregt. Die Stärke der Dipol-Dipol Wechselwirkung wird durch das angelegte elektrische Feld eingestellt, welches das elektrische Dipolmoment des angeregten Zustands verändert. Die Position der Rydbergatome wird nachgewiesen, indem sie ionisiert und durch eine Ionenoptik abgebildet werden. Eine kontrollierte Ionisation der Atome wird dabei durch einen adiabatischen Transfer des Rydbergzustands zu einem ionisierenden Zustand gewährleistet. Für den räumlich aufgelösten Nachweis der Atome wurde ein hochaufgelöstes Ionenmikroskop für kalte Atome entwickelt und experimentell charakterisiert. Es besitzt einen maximalen Vergrößerungsfaktor von 1000 und eine sub-mikrometer Auflösung. Eine theoretische Beschreibung von hochgradig Stark-verschobenen Rydbergzuständen wird durch die Einführung eines komplexen, absorbierenden Potentials ermöglicht. Die Theorie erlaubt die Vorhersage der Ionisationsraten der Rydbergzustände für einen großen Feld- und Energiebereich mit nur einem freien Parameter. Zusätzlich zu den numerischen Berechnungen werden die Ionisationsspektren verschiedener Rydbergzustände vorgestellt. Der 43S1/2-Zustand wird in einem elektrischen Feldbereich von 125V/cm bis 165V/cm gemessen (klassisches Ionisierungslimit von 127V/cm), der 70S1/2-Zustand in einem Feldbereich von 15V/cm bis 35V/cm (klassisches Ionisierungslimit 16.1V/cm) und der 100S1/2- Zustand in einem Feldbereich von 7V/cm bis 19V/cm (klassisches Ionisierungslimit 3.7V/cm). Unsere Ergebnisse zeigen eine komplizierte Energieniveaustruktur sowohl mit breiten, stark ionisierenden Zuständen als auch mit scharfen, nahezu nichtionisierenden Zuständen. Die numerischen Berechnungen werden zudem verwendet, um selektive Feldionisationsspektren vorherzusagen. Die daraus resultierenden Ergebnisse erlauben die Identifikation von Försterresonanzen im Stark-Spektrum des 45D5/2-Zustands. Ergänzend zu den räumlich aufgelösten Messungen im hohen elektrischen Feld wird der Rydberg-Blockadeeffekt auch in der Statistik der Anzahl der nachgewiesenen Rydbergatome an Försterresonanzen beobachtet.