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 Nature Physics , pourrait 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."

Essentially, the researchers found that even though the two valence electrons inside a Rydberg atom remain far away from each other in circular Rydberg states, they can still 'feel each other's presence' through the electrostatic force. They then showed that this 'electrostatic coupling' between the two electrons could be used to coherently manipulate the circular Rydberg state using optical pulses.

"In a classical picture, the frequency at which the Rydberg electron rotates depends on the state of the ionic core electron (let's call it 'up' or 'down')," Gleyzes explained. "We prepared the electron at given position on the orbit and waited for a time T such that the Rydberg electron makes an integer number of rotation if the ionic core is in 'down'. To optically change the state of the Rydberg electron, we transiently send the ionic core electron into other state ('up') with a laser pulse."

By sending the ionic core electron into the second desired state, the researchers slowed down the motion of the electron, which ultimately ends up on the other side of the orbit at the end of the waiting time (i.e., T). In other words, they were able to control the state of the Rydberg electron (which fluctuated between one side and the other of the orbit) by applying or removing a laser pulse.

"We thought that the alkaline earth Rydberg atoms would be interesting because one electron would be used for the quantum processes and the other electron would be used to control the motion of the atom (cool the atom or trap the atom)," Gleyzes said. "Before our study, though, we thought that they would work independently."

The technique to optically manipulate alkaline-earth circular Rydberg states introduced by this team of researchers could open interesting possibilities for the development of quantum technology. In fact, their work is the first to show that the two valence electrons inside alkaline-earth Rydberg atoms are not entirely independent, thus scientists could use one of them to manipulate the other or to detect the other's states.

"The possibility of conditioning the fluorescence of the ionic core electron to the state of the Rydberg electron is extremely promising, for instance if one wants to measure the state of the Rydberg electron non-destructively," Gleyzes added. "Our team's long-term goal is to build a quantum simulator based on the circular states of alkaline-earth atoms." + Explorer plus loin

First successful laser trapping of circular Rydberg atoms

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