Two-photon Doppler-free spectroscopy of the $6s^2\;^1S_0 \rightarrow 6s23s\;^1S_0$ Rydberg transition for quantum sensing in ytterbium

Atome sind die grundlegenden Bausteine der Materie, aber unter den richtigen Bedingungen können sie dazu gebracht werden, sich wie gigantische, zerbrechliche Versionen ihrer selbst zu verhalten. Wenn ein Atom Energie absorbiert, kann eines seiner Elektronen weit weg vom Kern gestoßen werden, was das Atom auf Größen tausendmal größer als normal dehnt. Diese gestreckten Atome werden als Rydberg-Zustände bezeichnet. Da sie so groß und empfindlich sind, reagieren sie stark auf elektrische Felder, Magnetfelder und sogar auf die unsichtbare Wärmestrahlung, die jeden Raum erfüllt. Diese Empfindlichkeit macht sie zu hervorragenden Kandidaten für den Bau neuer Arten von Sensoren, die Temperatur, Spannung oder Zeit mit beispielloser Präzision messen könnten. Ein großes Hindernis war jedoch immer, dass sich Atome in einem warmen Gas schnell bewegen, und diese Bewegung die Messungen verschwimmen lässt, ähnlich wie der Versuch, ein Schild zu lesen, während man mit hoher Geschwindigkeit daran vorbeifährt. Wissenschaftler suchen seit langem nach einem Weg, diese Bewegung einzufrieren, ohne die komplexe Ausrüstung, die normalerweise zur Kühlung von Atomen auf nahe dem absoluten Nullpunkt erforderlich ist.

Ein Team von Forschern am National Institute of Standards and Technology und der University of Colorado hat nun eine clevere Lösung unter Verwendung einer speziellen Art von Atom demonstriert: Ytterbium. Sie konzentrierten sich auf einen bestimmten Sprung, den ein Elektron innerhalb des Atoms vollziehen kann, einen Übergang, der geschieht, wenn das Atom gleichzeitig zwei Photonen des Lichts absorbiert. Durch die Verwendung von zwei Laserstrahlen, die in entgegengesetzte Richtungen verlaufen, konnten sie den Verschwimmungs-Effekt der Bewegung der Atome aufheben, was es ihnen ermöglichte, den atomaren Übergang mit extremer Klarheit zu sehen, selbst ohne die Atome einzufrieren. Der spezifische Sprung, den sie untersuchten, beinhaltet die Bewegung eines Elektrons vom Grundzustand des Atoms in einen hochenergetischen Rydberg-Zustand, der als $6s^2 3s \, ^1S_0$ bekannt ist. Was diese Entdeckung so bedeutend macht, ist, dass dieser spezielle atomare Pfad von Natur aus immun gegen viele der Störungen ist, die normalerweise solch präzise Messungen ruinieren, wie etwa Verschiebungen durch Magnetfelder oder die Dichte der Atome selbst.

Die Forscher begannen damit, die Eigenschaften dieses spezifischen Rydberg-Zustands zu berechnen, um zu sehen, ob er für die Sensorik nützlich wäre. Sie fanden heraus, dass die Energieniveaus von Ytterbium auf eine einzigartige Weise angeordnet sind, die diesen Zwei-Photonen-Sprung mit relativ leistungsschwachen Lasern ermöglicht. Im Gegensatz zu anderen hochenergetischen Zuständen, die empfindlich auf kleinste Veränderungen ihrer Umgebung reagieren, ist dieser Zustand bemerkenswert stabil. Er verschiebt sich nicht bei der Einwirkung von Magnetfeldern in der Art und Weise, wie es die meisten Atome tun, und er ist weniger von der Dichte benachbarter Atome betroffen. Das Team berechnete auch, wie der Zustand auf die Schwarzkörperstrahlung reagieren würde, das schwache thermische Leuchten, das von allen Objekten bei Raumtemperatur emittiert wird. Sie fanden heraus, dass dieser spezifische Zustand sehr empfindlich auf dieses thermische Leuchten ist, was ihn zu einem potenziellen Kandidaten für ein Thermometer macht, das die Temperatur mit unglaublicher Genauigkeit messen kann. Darüber hinaus stellten sie fest, dass der Zustand überraschend lange lebt – etwa 1,8 Mikrosekunden – bevor er zerfällt, was ein entscheidender Faktor für das Erreichen einer hohen Präzision bei Messungen ist.

Um zu beweisen, dass diese theoretischen Vorteile in der realen Welt verwirklicht werden könnten, baute das Team ein Experiment, um diesen Übergang direkt zu beobachten. Sie verwendeten einen Strahl von Ytterbium-Atomen und strahlten sie mit zwei Laserstrahlen aus entgegengesetzten Richtungen an. Die Laser wurden auf eine spezifische Frequenz abgestimmt, die die Atome nur dann anregt, wenn die beiden Photonen gleichzeitig eintreffen. Um zu detektieren, wann ein Atom den Sprung vollzieht, nutzten die Forscher drei verschiedene Methoden. In einer Methode beobachteten sie, wie Atome aus einer magnetischen Falle verschwanden, was darauf hindeutete, dass sie in den Rydberg-Zustand angeregt worden waren und nicht mehr von der Falle gehalten wurden. In einer anderen Methode suchten sie nach Atomen, die in einen langlebigen, unsichtbaren Zustand zerfallen waren, der später gezählt werden konnte. In der dritten Methode sammelten sie einfach die schwachen Lichtblitze, die emittiert werden, während die angeregten Atome in ihren normalen Zustand zurückfallen. Alle drei Methoden bestätigten, dass der Übergang klar beobachtet werden konnte, wobei die Bewegung der Atome effektiv aufgehoben wurde.

Das wichtigste Ergebnis des Experiments war die Schärfe des beobachteten Signals. Die Breite der spektralen Linie, die sie maßen, welche der Dauer des angeregten Zustands entspricht, betrug etwa 90 Kilohertz. Diese Schmalheit deutet auf eine Lebensdauer von 1,8 Mikrosekunden hin, was ihren theoretischen Vorhersagen entspricht. Dies ist das schmalste optische Merkmal, das jemals für einen Übergang zu einem Rydberg-Zustand unter Verwendung eines einfachen Zwei-Laser-Aufbaus aufgelöst wurde, womit es selbst komplexere Drei-Laser-Strategien, die zuvor verwendet wurden, übertrifft. Die Forscher maßen auch, wie sich die Übergangsfrequenz verschob, wenn sie die Leistung des Lasers änderten, um zu verstehen, wie das Licht selbst die Messung stören könnte. Sie fanden heraus, dass das Laserlicht zwar eine Verschiebung verursacht, dies jedoch ein vorhersagbarer Effekt ist, der kontrolliert werden kann.

Diese Arbeit öffnet die Tür zur Nutzung von Ytterbium-Atomen für eine Vielzahl praktischer Sensoranwendungen. Da der Übergang immun gegen magnetische Verschiebungen erster Ordnung ist und eine geringe Empfindlichkeit gegenüber der Atomdichte aufweist, könnte er die Basis für eine neue Art von Atomuhr bilden, die in einem warmen Gas arbeitet, anstatt ein Vakuum und Laserkühlung zu erfordern. Er könnte auch als Elektrometer verwendet werden, um elektrische Felder mit hoher Präzision zu messen, oder als Thermometer, um die Temperatur der Umgebung durch die Detektion des subtilen Einflusses der Schwarzkörperstrahlung zu messen. Die Forscher legen nahe, dass dieser Ansatz das Design von Quantensensoren vereinfachen könnte, indem er sie robuster und leichter außerhalb spezialisierter Labore einsetzbar macht. Obwohl das Experiment mit lasergekühlten Atomen durchgeführt wurde, um das Prinzip zu demonstrieren, ist die Technik mit warmen Atomdämpfen kompatibel, was darauf hindeutet, dass zukünftige Geräte ohne komplexe Kühlsysteme gebaut werden könnten. Das Team hat den Grundstein für eine neue Klasse von Sensoren gelegt, die den einzigartigen Nutzen der Stabilität dieses spezifischen atomaren Übergangs nutzen, um die Welt mit größerer Klarheit als je zuvor zu vermessen.