Generation of 480 nm picosecond pulses for ultrafast excitation of Rydberg atoms

Résumé technique : Génération d'impulsions picosecondes à 480 nm pour l'excitation ultrafaste d'atomes de Rydberg

Énoncé du problème
Les atomes de Rydberg sont essentiels pour les technologies quantiques, notamment la détection et l'informatique quantique, en raison de leurs orbitales géantes et de leurs fortes interactions dipôle-dipôle. Cependant, l'excitation de ces atomes depuis l'état fondamental repose généralement sur des lasers à onde continue (cw), limités par leurs vitesses de modulation à des échelles de temps d'excitation de 10 à 100 ns. Cette durée est insuffisante pour adresser des atomes thermiques (en raison des décalages Doppler) ou des atomes proches de surfaces (en raison de champs parasites) et est contrainte par l'effet de blocage de Rydberg lors de la préparation d'ensembles denses. Bien que les limites physiques de l'excitation soient beaucoup plus rapides — dictées par l'énergie de liaison (échelle picoseconde) et le dédoublement entre états de Rydberg voisins (~100 GHz, nécessitant des impulsions d'environ 10 ps) —, atteindre cet objectif requiert des lasers pulsés ultrafastes à haute intensité. Les tentatives précédentes des auteurs utilisant des impulsions de 10 ps ont atteint une probabilité d'excitation de 75 %, mais ont été significativement entravées par de grandes fluctuations d'énergie d'une impulsion à l'autre (30 %) dans le faisceau d'excitation à 480 nm, limitant la fidélité de la préparation de l'état de Rydberg.

Méthodologie
Les auteurs ont développé un système laser pulsé dédié, à injection de semence, pour générer des impulsions stables à 480 nm d'une durée d'environ 10 ps. Le système fonctionne selon un schéma d'excitation à deux photons séquentiel pour le Rubidium-87 ($^{87}$Rb) :

1. Source de pompage : Un oscillateur et un amplificateur d'impulsions étirées (CPA) commerciaux à Ti:Saphir génèrent des impulsions à 780 nm (durée de 2 ps, énergie de 5 mJ, taux de répétition de 1 kHz) avec une haute stabilité (fluctuation RMS de 0,5 %).
2. Amplificateur Paramétrique Optique (OPA) : Les impulsions à 780 nm pompent un OPA à deux étages pour générer un signal accordable à 1250 nm.
   • Premier étage : Un cristal de Niobate de Lithium Périodiquement Polé (PPLN) amplifie un laser semence à onde continue (cw) à 1250 nm. Cette injection de semence constitue la mise à niveau critique, remplaçant le régime de génération paramétrique optique (OPG) précédent qui reposait sur le bruit quantique.
   • Deuxième étage : Un cristal de Borate de Baryum ($\beta$-BBO) amplifie davantage l'impulsion à 1250 nm.
3. Génération de somme de fréquences (SFG) : L'impulsion amplifiée à 1250 nm est mélangée avec une partie du pompage à 780 nm dans un cristal BBO pour générer l'impulsion cible à 480 nm via la SFG.
4. Façonnage spectral : L'impulsion résultante à 480 nm possède initialement une large bande passante (~800 GHz), trop large pour résoudre les états individuels de Rydberg (espacement d'environ 100 GHz). Un façonneur spectral (réseau et fente) réduit la bande passante à 30 GHz, suffisante pour résoudre les états, tout en maintenant la durée de l'impulsion à ~10 ps.

Contributions clés
La contribution technique principale est la mise en œuvre de l'injection de semence dans le système OPA. En semant l'étage PPLN avec un laser cw stable, les auteurs ont transformé le processus d'amplification d'un régime piloté par le bruit en un régime cohérent. Cette modification a directement résolu l'instabilité de l'énergie de sortie. De plus, les auteurs ont affiné le schéma d'excitation séquentielle (5S $\to$ 5P $\to$ nD) utilisant des impulsions à 780 nm et 480 nm, optimisant le synchronisme pour traiter l'état intermédiaire 5P comme métastable pour l'excitation ultrafaste.

Résultats

• Stabilité de l'énergie : L'injection de semence a réduit la fluctuation d'énergie d'une impulsion à l'autre du faisceau à 480 nm de 30 % (dans le régime OPG non semé) à 6,2 %. La décomposition de la fluctuation montre 2,3 % après l'OPA, augmentant à 3,1 % après la SFG, et atteignant finalement 6,2 % après le façonnage spectral.
• Fidélité d'excitation : En utilisant le système amélioré, les auteurs ont démontré l'excitation ultrafaste d'atomes de $^{87}$Rb depuis l'état 5P vers l'état de Rydberg 43D. Ils ont observé des oscillations de Rabi avec une probabilité d'excitation maximale de ~90 %.
• Comparaison : Cela représente une amélioration significative par rapport à leur système précédent non semé, qui atteignait une probabilité d'excitation maximale de 75 %. L'erreur résiduelle dans le nouveau système n'est plus dominée par les fluctuations d'énergie du laser, mais est attribuée à une préparation imparfaite de l'état atomique (spécifiquement dans l'état 5P) et à des erreurs de mesure.
• Spectroscopie : Le système a résolu avec succès les états de Rydberg de $n=35$ à $n=51$ en balayant le façonneur spectral, confirmant que la bande passante de 30 GHz est suffisante pour distinguer des états séparés par ~100 GHz.

Signification
L'article affirme que cette réalisation élargit la gamme d'applications des atomes de Rydberg en permettant une excitation ultrafaste qui n'est plus limitée par l'instabilité de l'énergie du laser. En atteignant une probabilité d'excitation de 90 %, le système surmonte le goulot d'étranglement précédent des fluctuations d'énergie, permettant l'étude de la dynamique à l'échelle de temps picoseconde. Cette capacité est essentielle pour surmonter le blocage de Rydberg dans les ensembles denses et pour exciter des atomes dans des environnements non idéaux (par exemple, atomes thermiques ou proches de surfaces) où les lasers cw sont inefficaces. Les auteurs notent que les améliorations futures se concentreront sur l'amélioration de la préparation de l'état et potentiellement sur l'augmentation de l'énergie de l'impulsion ou l'utilisation de schémas d'excitation avancés comme le passage adiabatique rapide, mais le travail actuel établit une plateforme stable pour la physique de Rydberg ultrafaste.