Rydberg interactions in subwavelength atomic arrays and Hubbard systems

Srakaew, Kritsana (2024): Rydberg interactions in subwavelength atomic arrays and Hubbard systems. Dissertation, LMU München: Fakultät für Physik

Abstract

Rydberg atoms provide long-range dipolar interactions that can be tuned and switched using optical coupling, rendering them an ideal choice for quantum science and technologies, which encompass a range of applications from quantum simulations, quantum computing, and quantum information. In this dissertation, we incorporate long-range Rydberg interactions into a quantum gas microscope of bosonic 87Rb atoms with single-site control and resolution. This approach allows us to explore the dynamics of many-body systems that feature long-range interactions. In a first set of experiments, trapped atoms are arranged in a two-dimensional periodic array with subwavelength spacing. Such arrays give rise to photon-mediated interactions and form strong light-matter interfaces with specular reflection. We manipulate this light-matter interface using Rydberg interactions. We make use of EIT coupled to a Rydberg state, turning the array transparent to probe photons. With increasing Rydberg population, the transparency window collapses and the array becomes reflective again due to the Rydberg interactions. We further demonstrate a controlled way of optical switching using a single Rydberg atom. Here, the single Rydberg atom causes a controlled "Rydberg blockade" within the array, which destroys EIT and renders the system reflective. Moreover, correlations of the single atomic and photonic states are observed, which is a precursor to creating deterministic entanglement between the atom and the photons. In a second set of experiments, we off-resonantly couple to the Rydberg states, known as "Rydberg dressing", which results in a long-range interaction strength compatible with the itinerant Hubbard model. Here, we realize the 1D eBHM use a stroboscopic scheme, periodically pulsing the Rydberg interactions, and demonstrate substantially enhanced lifetimes, surpassing the timescales relevant for the Hubbard model. With this technique, we observe the existence of repulsively-bound states of atomic pairs as well as the stabilization of a charge density wave state in out-of-equilibrium dynamics. Finally, we find density ordering of low-energy ensembles at half-filling when undergoing a near-equilibrium phase transition upon ramping the long-range interactions, paving the way to study complex phase transitions including quantum solids.

Abstract

Rydberg-Atome zeichnen sich durch langreichweitige dipolare Wechselwirkungen aus, welche optisch kontrolliert und eingestellt werden können, was sie zu einem idealen Baustein für Quantenforschung und -technologien macht, mit Anwendungsmöglichkeiten von Quantensimulation über Quantencomputer bis hin zu Quanteninformation. In dieser Dissertation untersuchen wir diese langreichweitigen Rydberg-Wechselwirkungen mittels eines Quantengasmikroskops mit Einzelplatzkontrolle und -auflösung unter Verwendung von bosonischen 87Rb-Atomen. Dies ermöglicht es uns, die Dynamik von Vielteilchensystemen zu erforschen, in denen langreichweitige Wechselwirkungen auftreten. In einem ersten Experiment ordnen wir Atome in einem zweidimensionalen, optischen Subwellenlängen-Gitter an. In solchen Anordnungen treten starke photonische Wechselwirkungen auf wodurch sie effiziente Licht-Materie-Schnittstellen mit hohem Reflexionsgrad bilden. Wir manipulieren diese Licht-Materie-Schnittstelle mithilfe von kontrollierten Rydberg-Wechselwirkungen. Dazu nutzen wir elektromagnetisch induzierte Transparenz in Verbindung mit einem Rydberg-Zustand und realisieren dadurch zunächst eine für die Photonen transparente Konfiguration. Mit zunehmender Rydberg-Population kollabiert das Transparenzfenster und das System wird aufgrund der Rydberg-Wechselwirkungen wieder reflektierend. Durch die lokale Anregung einzelner Rydberg-Atome, demonstrieren wir darüber hinaus kontrollierte "Rydberg-Blockaden", welche der EIT entgegenwirken, und Schaltprozesse für einzelne Photonen zulassen. Zudem demonstrieren wir Korrelationen zwischen einzelnen atomaren und photonischen Zuständen, was ein erster Schritt auf dem Weg zur Erzeugung deterministischer Verschränkung zwischen den Atomen und Photonen ist. In einem zweiten Experiment koppeln wir mittels sogenannter "Rydberg-Bei-mi-schung" verstimmt an Rydberg-Zustände, was zu einer langreichweitigen Wechselwirkung führt. Mithilfe dieser realisieren wir ein eindimensionales erweitertes Bose-Hubbard Model unter Verwendung eines stroboskopischen Protokolls, bei dem die Rydberg-Wechselwirkungen periodisch gepulst werden, und erreichen so eine wesentlich längere Lebensdauer, welche kompatibel mit den Tunnelzeitskalen des Hubbard-Modellss sind. Mit dieser Technik können wir die Existenz abstoßend-gebundener Zustände zweier Atome, sowie die Stabilisierung einer Ladungsdichtewelle im Nichtgleichgewicht nachweisen. Schließlich beobachten wir korrelierte Dichteanordnungen innerhalb eines niederenergetischen Ensembles bei halber Füllung, wenn dieses durch kontrolliertes Anschalten der langreichweitigen Wechselwirkungsstärke einen Phasenübergang nahe dem Gleichgewicht durchläuft, was den Weg für die Untersuchung komplexer Phasenübergänge einschließlich von Quantenfestkörpern ebnet.

• Dokumententyp: Dissertationen (Dissertation, LMU München)
• Keywords: Rydberg, subwavelength arrays, Hubbard
• Themengebiete: 500 Naturwissenschaften und Mathematik ; 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
• Fakultäten: Fakultät für Physik
• Sprache der Hochschulschrift: Englisch
• Datum der mündlichen Prüfung: 6. November 2024
• 1. Bericht­erstatter:in: Bloch, Immanuel