Одна из проблем с ридберговскими атомами состоит в том, что с ними часто трудно работать. Один из подходов заключается в поиске особых длин волн — «магических длин волн», на которых атомы могут быть захвачены и возбуждены в ридберговские состояния, не нарушая их. Новый эксперимент JQI подтверждает высокоточные расчеты, предсказывающие существование определенных магических длин волн.Ридберг Атомы
Названные в честь шведского физика Йоханнеса Ридберга, эти раздутые атомы создаются путем возбуждения внешнего электрона в определенных элементах. Атомы щелочных металлов удобны для этой цели, поскольку они подобны водороду. То есть все внутренние электроны можно объединить и рассматривать вместе с ядром атома как единое ядро с единственным оставшимся электроном, лежащим снаружи; это как если бы атом был тяжелой версией водорода.
Основные энергетические уровни атомов оцениваются в соответствии с их основным квантовым числом, обозначаемым буквой n. Для атомов рубидия, частиц, используемых в этом эксперименте, крайний электрон начинается в состоянии n = 5. Затем здесь был использован лазерный свет, чтобы перевести электрон в состояние n = 18. В отличие от атомов в их основном состоянии, атомы в возбужденном состоянии n = 18 видят друг друга на расстояниях до 700 нм. Атомы Ридберга с более высокими значениями n могут взаимодействовать на еще больших расстояниях, вплоть до многих микрон.
Для сравнения, размер невозбужденного атома рубидия меньше 1 нм.На самом деле энергия, необходимая для продвижения атома в состояние 18s напрямую, потребует лазера, излучающего ультрафиолетовый свет, и исследователи решили, что более практично поднять внешний электрон на его более высокий уровень в два этапа, используя два более удобных лазера, энергия которых добавляется к полной разности энергии.
Дипольная ловушка и эффект ШтаркаАтомы Rb находятся в ловушке в первую очередь потому, что они были собраны в облако, охлаждены до температуры всего на несколько миллионных долей градуса выше абсолютного нуля, а затем удерживаются на месте с помощью специальной системы улавливания лазерного луча.В процессе захвата используется эффект Штарка, явление, при котором сильное электрическое поле ограничивающего лазерного луча изменяет энергетические уровни атома. Используя своего рода луч в форме песочных часов, свет формирует потенциальную энергетическую яму, в которой будут захвачены атомы.
Атомы будут собираться в аккуратный пучок в центре этой оптической дипольной ловушки. Проблема в том, что эффект Штарка, а вместе с ним и захватывающее влияние лазерных лучей, зависит от значения n. Другими словами, лазерный луч, подходящий для захвата атомов при одном n, может не работать при других значениях n.
К счастью, только при правильных длинах волн, «магических длинах волн», процесс захвата будет удерживать атомы как в низколежащем состоянии с n = 5, так и в возбужденном состоянии с n = 18. Теоретические расчеты, предсказывающие, где будут эти длины волн (с особенно полезной длиной около 1064 нм), и экспериментальные данные, подтверждающие прогнозы, были недавно опубликованы в журнале Physical Review A.Первый автор статьи — Элизабет Гольдшмидт. «Мы пошли на компромисс, используя атомы в ридберговском состоянии с относительно низким n, состоянии 18s.
Мы работаем в этом режиме, потому что нас интересуют длины взаимодействия, соизмеримые с нашей оптической решеткой, и потому, что конкретная магическая длина волны находится на подходящей длине волны для наши лазеры, а именно 1064 нм ». Она сказала, что в следующем раунде экспериментов в лаборатории Трея Порто и Стива Ролстона будет стремиться к более высокому уровню Ридберга n больше 50.Сотрудник JQI Марианна Сафронова помогла сделать предсказания волшебной длины волны. «Чтобы сделать прогноз, — сказала Сафронова, — вам необходимо знать поляризуемость — величину, на которую эффект Штарка сместит уровень энергии — для уровня возбужденного состояния n = 18. Работа по поиску магических длин волн за пределами n = 18 с нашим высокоточным подходом из первых принципов было бы довольно сложно.
Согласие теоретического предсказания с экспериментальным измерением дает отличный ориентир для высокоточной теории ».«Самая важная особенность нашей статьи, — сказал Порту, — состоит в том, что теоретики раздвинули теоретические пределы вычислений магических длин волн для высоковозбужденных ридберговских атомов, а затем проверили эти расчеты экспериментально».