The magnetic quadrupole transition in neutral strontium

Trautmann, Jan (2022): The magnetic quadrupole transition in neutral strontium. Dissertation, LMU München: Fakultät für Physik

Abstract

Analog quantum simulators enable the experimental investigation of strongly interacting quantum many-body systems, for which numerical calculations are often out of reach for classical computers. One remarkably successful invention in the development of these simulators is the quantum gas microscope. These high-numerical-aperture microscopes enable the detection of ultracold atoms in optical lattices and can resolve individual lattice sites. Until now, most quantum gas microscope experiments use alkali atoms, but recent experiments aim to make use of the special properties of alkaline earth atoms. Alkaline earth atoms possess two valence electrons, giving rise to a rich electronic-level structure featuring singlet and metastable triplet states. This internal structure results in ultranarrow optical intercombination transitions, opening up numerous applications in quantum sciences. The most prominent application of strontium is the optical lattice clock based on the 1S0-3P0 transition. Based on this success story, there has been a recent effort to use the metastable states and the achieved second-scale coherence time for quantum computing and quantum simulation. Our approach is to implement highly state-dependent optical lattices for the ground and metastable triplet states and to study the emerging quantum many-body phenomena using a quantum gas microscope. Working with alkaline earth atoms under a quantum gas microscope requires developing local readout and manipulation of atoms or qubits. This addressing can be realized by focusing an optical beam through the microscope. However, the diffraction-limited resolution results in cross-talk between adjacent lattice sites. The addressing resolution can be enhanced beyond the diffraction limit by ap- plying magnetic field gradients in combination with magnetic-field-sensitive transitions. Doing so allows controlling the atoms’ spin or electronic state on dedicated lattice sites within a larger sample of hundreds of atoms. Implementing local addressability for strontium atoms is technically challenging since most magnetic-field-sensitive transitions are too broad. A promising solution is to use the millihertz-wide and magnetically-sensitive 1S0-3P2 magnetic quadrupole transition, which features excellent frequency discrimination for even moderate magnetic field gradients due to its narrow linewidth. Although this transition opens up unique applications, many of the key features of the transition, such as the exact transition frequency, or the 3P2 state’s trapping potential have not been investigated prior to the work described in this thesis. This thesis reports on the first high-resolution and Doppler-free laser spectroscopy of the 1S0-3P2 transition with kilohertz precision in a light-shift-compensated optical lattice. We engineer the light-shift-free lattice by tuning the vector and tensor polarizability of the excited 3P2 state. We measure the absolute transition frequency with an improvement of three orders of magnitude compared to previously reported values. Finally, we demonstrate local addressing on the 1S0-3P2 transition in the optical lattice, a first crucial step towards single-particle control under the quantum gas microscope. In the near future, the addressing will allow us to isolate a single layer of the optical lattice in the focus of the first strontium quantum gas microscope. The demonstrated experimental control over the 1S0-3P2 transition paves the way to use the corresponding optical qubit for neutral atom quantum computation, where single qubits can be locally manipulated and read out.

Abstract

Analoge Quantensimulatoren ermöglichen die experimentelle Untersuchung von stark wechselwirkenden Quantenvielteilchensystemen, die auf klassischen Computern nicht mehr numerisch berechnet werden können. Eine bemerkenswert erfolgreiche Erfindung bei der Entwicklung dieser Simulatoren ist das Quantengasmikroskop. Diese Mikroskope mit hoher numerischer Apertur ermöglichen es ultrakalte Atome in optischen Gittern zu detektieren und können dabei einzelne Gitterplätze auflösen. Bisher verwenden die meisten Experimente mit Quantengasmikroskopen Alkaliatome, jedoch zielen kürzlich realisierte Experimente darauf ab, die besonderen Eigenschaften von Erdalkaliatomen zu nutzen. Erdalkaliatome besitzen zwei Valenzelektronen, was zu einer vielfältigen Struktur atom- arer Zustände mit Singulett- und metastabilen Tripletzuständen führt. Diese Atomstruktur beinhaltet ultraschmale Interkombinationsübergänge im optischen Bereich, die zahlreiche Anwendungen in den Quantenwissenschaften finden. Die bekannteste An- wendung von Strontium ist die optische Gitteruhr, die auf dem 1S0-3P0-Übergang basiert. Diese Erfolgsgeschichte trieb kürzlich Entwicklungen im Bereich der Quantensimulation und Quantencomputer voran, die die metastabilen Zustände und die im Sekundenbere- ich liegenden Kohärenzzeiten nutzen. Unser Ansatz besteht darin, stark zustandsabhängige optische Gitter für die Grund- und metastabilen Triplettzustände zu erzeugen und die darin auftretenden Quantenviel- teilchenphänomene mit einem Quantengasmikroskop zu untersuchen. Erdalkaliatome unter einem Quantengasmikroskop zu verwenden, erfordert es Atome oder Qubits lokal auslesen oder manipulieren zu können. Dieses Adressieren kann man dadurch erre- ichen, dass ein optischer Strahl mit dem Mikroskop fokussiert wird. Die beugungsbegren- zte Auflösung führt jedoch dazu, dass benachbarte Gitterplätze ebenfalls angesprochen werden. Durch die Verwendung von Magnetfeldgradienten in Kombination mit mag- netfeldempfindlichen Übergängen kann die Auflösung über die Beugungsgrenze hinaus gesteigert werden. Dadurch können der Spin oder der elektronische Zustand der Atome auf den gewünschten Gitterplätzen innerhalb eines größeren Systems von Hunderten von Atomen verändert werden. Lokales Adressieren von Strontiumatomen zu realisieren ist technisch anspruchsvoll, da die meisten magnetfeldempfindlichen Übergänge zu breit sind. Eine vielversprechende Lösung ist den Millihertz breiten und magnetisch sensitiven 1S0-3P2 magnetischen Quadrupolübergang zu verwenden, der durch seine schmale Lin- ienbreite eine hervorragende Frequenzdiskriminierung selbst bei moderate Magnetfeld- gradienten aufweist. Obwohl dieser Übergang einzigartige Anwendungen ermöglicht, wurden viele Eigenschaften des Übergangs, wie die exakte Übergangsfrequenz oder das Fallenpotential des 3P2-Zustands, vor der in dieser Dissertation beschriebenen Arbeit nicht untersucht. Diese Arbeit berichtet über die erste hochauflösende und dopplerfreie Laserspektros- kopie des 1S0-3P2-Übergangs mit Kilohertz-Präzision in einem optischen Gitter frei von Linienverschiebungen durch das Lichtfeld. Wir unterdrücken die Linienverschiebung, in- dem wir die Vektor- und Tensorpolarisierbarkeit des angeregten 3P2-Zustands einstellen. Wir messen die absolute Übergangsfrequenz mit drei Größenordnungen kleineren Fehler- balken als alle Messungen zuvor. Abschließend zeigen wir lokales Adressieren im optis- chen Gitter unter Verwendung des 1S0-3P2-Übergangs. Dies ist ein erster entscheidender Schritt auf dem Weg zur Kontrolle einzelner Atome unter dem Quantengasmikroskop. Das Adressieren wird es uns in naher Zukunft ermöglichen, eine einzelne Ebene des op- tischen Gitters im Fokus des ersten Strontium-Quantengasmikroskops zu isolieren. Die demonstrierte experimentelle Kontrolle über den 1S0-3P2-Übergang ebnet den Weg, das entsprechende optische Qubit in Quantencomputern mit neutralen Atomen zu ver- wenden, bei denen einzelne Qubits lokal manipuliert und ausgelesen werden können.

• 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. Oktober 2022
• 1. Bericht­erstatter:in: Bloch, Immanuel