High-resolution imaging of ordering in Rydberg many-body systems

Schauss, Peter (2015): High-resolution imaging of ordering in Rydberg many-body systems, Hochauflösende Detektion von Ordnung in Rydberg Vielteilchensystemen. Dissertation, LMU München: Fakultät für Physik

Abstract

Rydberg Atome sind auf Grund ihrer starken und kontrollierbaren Wechselwirkungen gut geeignet zur Quantensimulation von lang-reichweitig wechelwirkenden Systemen mit ultrakalten Atomen in optischen Gittern. In dieser Arbeit wird die Präparation und hochauflösende Abbildung von Rydberg Vielteilchensystemen demonstriert und die spontane Entstehung selbst-organisierter Ordnung beobachtet. In einer ersten Reihe von Experimenten wird die Ordnung in den post-selektierten Komponenten hoher Anregungsdichte bei hoher Temperatur untersucht. Die räumliche Konfiguration der Rydberg-Atome wird mit einer neuartigen Abbildungsmethode detektiert, die es ermöglicht die Position der individuellen Rydberg-Atome im Gitter durch Fluoreszenzabbildung der ehemaligen Rydberg-Atome nach dem Umpumpen in der Grundzustand zu bestimmen. Aus den gemessenen Rydberg-Positionen werden Korrelationsfunktionen berechnet und der Blockaderadius bestimmt. Für eine zweite Experimentreihe wird die Zeitabhängigkeit der optischen Kopplung an den Rydberg-Zustand kontrolliert. Zusammen mit der genauen Modellierung des Besetzungsmusters im optischen Gitter erlaubt dies die adiabatische Präparation von Rydberg Kristallen. Das System kann auch durch einen Ising Hamiltonian mit polynomialen Wechselwirkungen beschrieben werden, das diskutierte Szenario entspricht damit der Grundzustandspräparation in einem Quantenmagnet. Es werden Eigenschaften des kristallinen Grundzustands wie seine verschwindende Suszeptibilität und lokale Magnetisierungsdichten gemessen. Diese Arbeit stellt ein neue Stufe der Kontrolle über lang-reichweitig wechselwirkende Spin-Systeme dar und ebnet den Weg zur Quantensimulation mit Rydberg Atomen.

Abstract

Rydberg atoms are well-suited for the quantum simulation of long-range interacting Hamiltonians with ultracold atoms in optical lattices due to their strong and switchable interactions. In this thesis we demonstrate the preparation and high-resolution imaging of Rydberg many-body systems and observe the spontaneous emergence of self-organized ordering. In a first series of experiments we investigate the ordering in the post-selected high-excitation-density components of high-temperature many-body states. The spatial configuration of Rydberg atoms is imaged by a novel detection technique, which allows to determine the position of individual Rydberg atoms in the lattice by fluorescence imaging of the former Rydberg atoms after depumping them to the ground state. From the measured Rydberg atom positions we calculate correlation functions and determine the blockade radius. In a second set of experiments we implement time-dependent control of the optical coupling to the Rydberg state. Combined with the precise shaping of the initial atom pattern in the lattice this allows for the adiabatic preparation of Rydberg crystals. Via a mapping to an Ising Hamiltonian with power-law interactions this scenario corresponds to the ground state preparation in a quantum magnet. We measure properties of the crystalline ground state such as its vanishing susceptibility and local magnetization densities. This work demonstrates a new level of control over long-range interacting spin systems and paves the way for Rydberg-based quantum simulation.

• Dokumententyp: Dissertationen (Dissertation, LMU München)
• Keywords: Rydberg atom, quantum many-body system, self-organized ordering, crystallization, quantum gas microscope
• Themengebiete: 500 Naturwissenschaften und Mathematik ; 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
• Fakultäten: Fakultät für Physik
• Sprache der Hochschulschrift: Englisch
• Datum der mündlichen Prüfung: 20. Februar 2015
• 1. Bericht­erstatter:in: Bloch, Immanuel