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

Atomen zijn de fundamentele bouwstenen van materie, maar onder de juiste omstandigheden kunnen ze worden bewogen om zich te gedragen als gigantische, fragiele versies van zichzelf. Wanneer een atoom energie absorbeert, kan een van de elektronen ver weg van de kern worden weggeschoten, waardoor het atoom wordt uitgerekt tot afmetingen die duizenden malen groter zijn dan normaal. Deze uitgerekte atomen worden Rydberg-toestanden genoemd. Omdat ze zo groot en gevoelig zijn, reageren ze sterk op elektrische velden, magnetische velden en zelfs de onzichtbare warmtestraling die elke kamer vult. Deze gevoeligheid maakt hen uitstekende kandidaten voor het bouwen van nieuwe soorten sensoren die temperatuur, spanning of tijd met ongekende precisie kunnen meten. Een grote hindernis is echter altijd geweest dat atomen in een warm gas snel bewegen, en deze beweging vervaagt de metingen, vergelijkbaar met het proberen te lezen van een bord terwijl je er met hoge snelheid langs rijdt. Wetenschappers zoeken al lang naar een manier om deze beweging te bevriezen zonder de complexe apparatuur die gewoon nodig is om atomen tot nabij het absolute nulpunt te koelen.

Een team onderzoekers van het National Institute of Standards and Technology en de University of Colorado heeft nu een slimme oplossing gedemonstreerd met behulp van een specifiek type atoom: ytterbium. Ze richtten zich op een specifieke sprong die een elektron binnen het atoom kan maken, een overgang die plaatsvindt wanneer het atoom tegelijkertijd twee fotonen van licht absorbeert. Door twee laserstralen te gebruiken die in tegenovergestelde richtingen bewegen, waren zij in staat om het vervagende effect van de beweging van de atomen op te heffen, waardoor ze de atomaire overgang met extreme helderheid konden zien zonder de atomen te bevriezen. De specifieke sprong die ze bestudeerden, betreft een elektron dat beweegt van de grondtoestand van het atoom naar een hoogenergetische Rydberg-toestand bekend als 6s²3s ¹S₀. Wat deze ontdekking zo belangrijk maakt, is dat dit specifieke atomaire pad van nature immuun is voor veel van de verstoringen die dergelijke precieze metingen gewoon verpesten, zoals verschuivingen veroorzaakt door magnetische velden of de dichtheid van de atomen zelf.

De onderzoekers begonnen met het berekenen van de eigenschappen van deze specifieke Rydberg-toestand om te zien of deze nuttig zou zijn voor detectie. Ze ontdekten dat de energieniveaus van ytterbium op een unieke manier zijn gerangschikt, waardoor deze twee-foton-sprong mogelijk is met relatief zwakke lasers. In tegen tegenstelling tot andere hoogenergetische toestanden die gevoelig zijn voor minieme veranderingen in hun omgeving, is deze toestand opmerkelijk stabiel. Deze verschuift niet wanneer hij wordt blootgesteld aan magnetische velden op de manier waarop de meeste atomen dat doen, en is minder beïnvloed door de drukte van naburige atomen. Het team berekende ook hoe de toestand zou reageren op zwartlichaamstraling, de zwakke thermische gloed die door alle objecten op kamertemperatuur wordt uitgezonden. Ze ontdekten dat deze specifieke toestand zeer gevoelig is voor die thermische gloed, wat het een potentiële kandidaat maakt voor een thermometer die de temperatuur met ongelooflijke nauwkeurigheid kan meten. Bovendien bepaalden ze dat de toestand verrassend lang voortduurt — ongeveer 1,8 microseconden — voordat hij vervalt, wat een cruciale factor is voor het bereiken van een hoge precisie in metingen.

Om te bewijzen dat deze theoretische voordelen in de echte wereld gerealiseerd konden worden, bouwde het team een experiment om deze overgang direct te observeren. Ze gebruikten een bundel ytterbiumatomen en schijnen twee laserstralen vanuit tegenovergestelde richtingen op hen. De lasers werden afgestemd op een specifieke frequentie die de atomen alleen zou exciteren als de twee fotonen gelijktijdig aankomen. Om te detecteren wanneer een atoom de sprong maakte, gebruikten de onderzoekers drie verschillende methoden. In één methode hielden ze in de gaten of atomen uit een magnetische val verdwenen, wat erop wees dat ze naar de Rydberg-toestand waren geëxciteerd en niet langer door de val werden vastgehouden. In een andere methode zochten ze naar atomen die waren vervallen naar een langdurige, onzichtbare toestand die later geteld kon worden. In de derde methode verzamelden ze simpelweg de zwakke lichtflitsen die vrijkomen wanneer de geëxciteerde atomen terugvallen naar hun normale toestand. Alle drie de methoden bevestigden dat de overgang duidelijk geobserveerd kon worden, waarbij de beweging van de atomen effectief werd geëlimineerd.

Het belangrijkste resultaat van het experiment was de scherpte van het signaal dat zij observeerden. De breedte van de spectrale lijn die zij maten, wat overeenkomt met hoe lang de geëxciteerde toestand duurt, bleek ongeveer 90 kilohertz te zijn. Deze smalheid duidt op een levensduur van 1,8 microseconden, wat overeenkomt met hun theoretische voorspellingen. Dit is het smalste optische kenmerk dat ooit is opgelost voor een overgang naar een Rydberg-toestand met behulp van een eenvoudige twee-laseropstelling, waarmee zelfs complexere drie-laserstrategieën die eerder werden gebruikt, wordt overtroffen. De onderzoekers maten ook hoe de transitiefrequentie verschoof wanneer zij het vermogen van de laser veranderden, waardoor zij begrepen hoe het licht zelf de meting zou verstoren. Zij ontdekten dat hoewel het laserlicht een verschuiving veroorzaakt, dit een voorspelbaar effect is dat beheerst kan worden.

Dit werk opent de deur naar het gebruik van ytterbiumatomen voor een verscheidenheid aan praktische detectietoepassingen. Omdat de overgang immuun is voor eerste-orde magnetische verschuivingen en een lage gevoeligheid heeft voor de atomaire dichtheid, zou het de basis kunnen vormen voor een nieuw type atoomklok dat werkt in een warm gas, in plaats van een vacuüm en laserkoeling te vereisen. Het zou ook gebruikt kunnen worden als een elektrometer om elektrische velden met hoge precisie te meten, of als een thermometer om de temperatuur van de omgeving te meten door de subtiele invloed van zwartlichaamstraling te detecteren. De onderzoekers suggereren dat deze aanpak het ontwerp van kwantumsensoren kan vereenvoudigen, waardoor ze robuuster en gemakkelijker inzetbaar worden buiten gespecialiseerde laboratoria. Hoewel het experiment werd uitgevoerd met lasergekoelde atomen om het principe te demonstreren, is de techniek compatibel met warme atomaire dampen, wat suggereert dat toekomstige apparaten gebouwd kunnen worden zonder de noodzaak van complexe koelsystemen. Het team heeft de basis gelegd voor een nieuwe klasse sensoren die de unieke stabiliteit van deze specifieke atomaire overgang benutten om de wereld met meer helderheid dan ooit tevoren te meten.