Black-body radiation induced correlated excitation of Potassium Rydberg atoms in tweezer arrays

Festa, Lorenzo (2021): Black-body radiation induced correlated excitation of Potassium Rydberg atoms in tweezer arrays. Dissertation, LMU München: Fakultät für Physik

Abstract

Im Rahmen dieser Arbeit stellen wir die Realisierung einer neuartigen Plattform zur Quantensimulation mit Kaliumatomen in optischen Pinzetten vor. Wechselwirkungen zwischen den Atomen werden durch die Verwendung von Zuständen mit großen Hauptquantenzahlen, auch bekannt als Rydberg-Zustände, erzeugt. Atome, die zu Rydberg-Zuständen angeregt werden, interagieren durch Dipol-Dipol- oder van-der-Waals-Wechselwirkungen, für die eine große Reichweite charakteristisch ist. Die Wechselwirkung führt zu starken Energieverschiebungen bei typischen Abständen zwischen den gefangenen Atomen. Wir haben das Experiment für die Erzeugung von Wechselwirkungen durch Off-Resonanz-Dressing eines Rydberg-Zustands geplant. Durch verstimmte Dressing-Wechselwirkung bleibt der Langstreckencharakter des gekoppelten Rydberg-Zustands erhalten. Ein Vorteil von Kalium ist seine Grundzustandsaufspaltung, die eine technisch unkomplizierte Beeinflussung beider Grundzustände ermöglicht, so dass Wechselwirkungen erzeugt werden können, die bisher mit Rydberg-Zuständen nicht realisiert wurden. In dieser Arbeit wird eine Methode zur Erzeugung optischer Pinzetten durch eine holographische Technik vorgestellt und wie man sie mit einzelnen Kaliumatomen präpariert. Die besondere Kombination von Kalium mit 1064nm-Licht erforderte die Anwendung spezifischer Techniken für die Präparation und Abbildung einzelner Atome. Die Raman-Seitenband-Kühlung wird eingesetzt, um Einschränkungen aufgrund von Inhomogenitäten der Lichtverschiebung zwischen den Fallen abzumildern. Das deterministische Laden einzelner Atome in die optischen Pinzetten hat sich im Falle von 1064nm-Licht als schwierig erwiesen und erforderte die Verwendung von anderem Fallenlicht. Ein Einzelphotonenschema wird verwendet, um direkt an Rydberg-Zustände bei einer Wellenlänge von 286nm zu koppeln. Dabei wird das UV-Licht dazu verwendet, Atome die in einer eindimensionalen Kette angeordnet sind, durch Rydberg Dressing anzuregen und somit durch die Wechselwirkungsverschiebung Korrelationen zu generieren. Das System ermöglichte die mikroskopische Untersuchung von Avalanche-Verlusten, die experimentell bei der Realisierung des Rydberg-Dressings beobachtet wurden. Die Ursache für diese Verluste wurde auf das Vorhandensein von Verunreinigungen zurückgeführt, in diesem Fall Rydberg-Atome die durch Schwarkörperstrahlung erzeugt wurden und entgegengesetzte Parität zu den durch das UV gekoppelten Atomen besitzen. Solche Verunreinigungen erleichtern die direkte Anregung der Atome aufgrund von Verschiebungen der Dipol-Dipol-Wechselwirkung, wodurch die Lebensdauer des angezogenen Zustands verringert wird. Derselbe Effekt ist in unserem System zu beobachten, wenn die Atome verstimmt an einen Rydberg-Zustand gekoppelt sind. Durch die Möglichkeit Verluste an einzelnen Atomen zu messen, ist es Möglich Paarkorrelationen zu verwenden, um die Erleichterung der Verluste zu bestätigen und die typische Reichweite dazu zu identifizieren. Wir bestätigen die Dipol-Dipol-Skalierung der Erleichterung, die von den durch die Schwarzkörperstrahlung gekoppelten Zuständen erzeugt wird. Wir können auch die Auswirkung der Bewegung der Rydberg-Atome auf diesen Prozess in unserem System identifizieren. Darüber hinaus wird die Signatur des Avalanche-Verlustes bei der Auswertung von Korrelationen höherer Ordnung beobachtet. Zusammenfassend stellt diese Arbeit eine neue Plattform für die Quantensimulation mit Kaliumatomen in optischen Pinzetten vor. Wir identifizieren die Ursache für einen begrenzenden Faktor der Rydberg-Dressing-Technik bei Raumtemperatur. Wir schlagen Ideen vor, um dieses Problem entweder dynamisch zu lösen, indem wir die Bewegung des Atoms aus der Atomebene heraus erzwingen, oder indem wir die Verunreinigungen durch optisches Pumpen entfernen.

Abstract

In the framework of this thesis, we introduce the realization of a novel platform for quantum simulation with Potassium atoms in optical tweezers. Interactions between the atoms are created by using states with large principal quantum numbers, also known as Rydberg states. Atoms excited to Rydberg states interact through dipole-dipole or van-der-Waals interactions, which have a long range character. The interaction produces strong energy shifts at typical distances between the trapped atoms. We planned the experiment for the generation of interactions through off-resonant dressing of a Rydberg state. The off-resonant dressing conserves the long-range character of the coupled Rydberg state. An advantage of Potassium is its ground state splitting that allows for a technically uncomplicated dressing of both ground states with the capability to engineer interactions not realized before with Rydberg states. This thesis presents a method to generate optical tweezers through a holographic technique and how to prepare them with single Potassium atoms. The particular combination of Potassium with 1064nm light required the application of specific techniques for the preparation and imaging of single atoms. Raman sideband cooling is implemented to mitigate limitations from light shifts inhomogeneities between the traps. The deterministic loading of single atoms into the optical tweezers had been proven difficult in the case of 1064nm light and required the use of different trapping light. A single-photon scheme is used to directly couple to Rydberg states at a wavelength of 286nm. The UV light allows us to off-resonantly dress atoms prepared in a one-dimensional chain and the generation of quantum correlations between the atoms thanks to the created interaction shift. The system enabled the microscopic study of avalanche losses that have been experimentally seen during the realization of Rydberg dressing. The cause of such losses was attributed to the presence of impurities, Rydberg atoms with opposite parity to the coupled by UV light, generated by black-body radiation. Such impurities facilitate the direct excitation of atoms due to dipole-dipole interaction shifts, reducing the dressed state lifetime. This same effect can be seen in our system when the atoms are off-resonantly coupled to a Rydberg state. The capacity to identify single atomic losses allows us to use a two-body correlation to confirm the facilitation character of the loss event and to measure the typical facilitation range. We confirm the dipole-dipole scaling of the facilitation generated by the states coupled by black-body radiation. We can also identify the effect of the Rydberg atom motion on the facilitation process in our system. Furthermore, the signature of the avalanche loss is observed with the evaluation of higher-order correlations. In summary, this thesis presents a new platform for quantum simulation with Potassium atoms in optical tweezers. We identify the cause of one limiting factor of the Rydberg dressing technique at room temperature. We propose ideas to solve this problem either dynamically, forcing the movement of the atom out of the atomic plane, or by removing the impurities through optical pumping.

• Dokumententyp: Dissertationen (Dissertation, LMU München)
• Themengebiete: 500 Naturwissenschaften und Mathematik ; 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
• Fakultäten: Fakultät für Physik
• Sprache der Hochschulschrift: Englisch
• Datum der mündlichen Prüfung: 20. Dezember 2021
• 1. Bericht­erstatter:in: Bloch, Immanuel