Rydbergzustände in Lanthanoidatomen für Quantensimulation

Dieses Projekt zielt darauf ab, die Eigenschaften hochangeregter elektronischer Zustände in Erbiumatomen und deren Möglichkeiten in der Quantensimultion zu untersuchen. Erbiumatome haben eine sehr komplexe Struktur mit mehreren aktiven äußeren Elektronen, welche mithilfe von Lichtfeldern beeinflusst werden können. Wir werden sogenannte Rydbergzustände untersuchen, bei denen sich ein Elektron in einem hochangeregten Zustand befindet. In diesen extremen Bedingungen kann die negative Ladung des Elektrons leicht gegen die positive Ladung des Kerns verschoben werden. Dies erzeugt einen großen elektrischen Dipol, wodurch diese Atome extrem stark und über weite Distanzen wechselwirken. Die Eigenschaften der Rydbergzustände in Erbium sind bisher jedoch kaum untersucht. In dem vorgeschlagenen Projekt werden wir deren Eigenschaften mit hoher Genauigkeit untersuchen, um ihre Lebensdauer, ihre Reaktion auf Laserlicht verschiedener Farben, sowie die Wechselwirkung zwischen den Atomen zu bestimmen. Rydbergzustände wurden bereits intensiv in Atomen untersucht, in denen lediglich ein Elektron angeregt werden kann sobald dieses aber angeregt ist, wird der verbleibende Kern blind und ragiert nur noch sehr schwach auf Lichtfelder. Dadurch werden die Möglichkeiten eingeschränkt, die üblichen Techniken zum Kontrollieren der Atome zu verwenden. In Erbium jedoch kann eines der Elektronen in einen Rydbergzustand angeregt werden, während noch mehrere Elektronen verbleiben, die stark auf Lichtfelder reagieren können. Daher wollen wir Möglichkeiten erforschen, die Atome zu (i) fangen, (ii) zu kühlen, und sie (iii) nachzuweisen, sowohl in ihrem Grundzustand als auch, zum ersten Mal, in ihrem Rydbergzustand. Um (i) die Atome zu fangen, werden wir eine Anordnung stark fokussierter Laserstrahlen verwenden, sogenannte optische Pinzetten, um die Atome in einem kontrollierten Muster festzuhalten. Wir werden versuchen, (ii) die Atome kühlen, indem wir Licht in speziellen Konfiguration auf die Atome strahlen. Damit ist es möglich, extrem tiefe Temperaturen, nur einen Bruchteil eines Grades, über dem absoluten Nullpunkt bei -273C zu erzeugen. Indem wir das Licht, das die Atome streuen, auf einer Kamera einfangen, werden wir versuchen, die Atome (iii) nachzuweisen und ihren internen Zustand sowie ihre Eigenschaften zu bestimmen. Diese Techniken sind bei Grundzustandsatomen bereits bekannt, ihre Anwendung auf Rydbergatome jedoch völlig neu und bisher nicht erforscht. Die extrem starken Wechselwirkungen bedingen eine schnelle Dynamik im System, wodurch Rydbergzustände in Erbiumatomen vielversprechende Kandidaten für den Bau eines Quantensimulators sind. Hierbei handelt es sich um ein Gerät, das Physikern hilft, komplexe Eigenschaften physikalischer Systeme zu verstehen, die mit klassischen Computern nicht berechnet werden können. Die unintuitiven Eigenschaften der Quantenphysik können hierbei genutzt werden, um die Berechnungen effizienter zu machen und somit Probleme zu lösen, die immense Rechenzeiten benötigen würden, auch für die schnellsten klassischen Computer.

Quantensimulatoren gehören zu den faszinierendsten aktuellen Forschungsgebieten, und erste Modelle sind bereits kommerziell verfügbar. Verschiedene Plattformen wetteifern dabei um den ersten Prototypen, der universell einsetzbar klassischen Computern überlegen ist. Zu einer der vielversprechendsten Plattformen gehören Anordnungen einzelner neutraler Atome, die in optischen Pinzetten gefangen und mit Laserstrahlen in hochangeregte Zustände gebracht werden. In diesen sogenannten Rydbergzuständen zeigen die Atome extrem starke und kontrollierbare Wechselwirkungen, was die Grundlage für Quantensimulatoren darstellt. Im Rahmen des Lise Meitner Projekts M 2683 wurden Serien von Rydbergzuständen zum ersten Mal in Erbium hochaufgelöst untersucht. Dieses hochkomplexe Atom zeichnet sich gegenüber häufig verwendeten Alkali- oder Erdalkaliatomen dadurch aus, dass viele Elektronen zu den optischen Eigenschaften beitragen, was diese Eigenschaften zwar kompliziert, aber auch sehr reichhaltig macht, und neue Möglichkeiten für das Fangen und Anregen der Atome bieten kann. Für die Untersuchung der Rydbergserien wurde die Methode der elektromagnetisch induzierten Transparenz verwendet, die eine Quanteninterferenz an einem Atomstrahl ausnutzt, um ohne aufwändige Nachweisverfahren die entsprechenden Zustände zu charakterisieren. In der speziell für diesen Zweck gebauten Apparatur ist es zudem möglich, magnetische Felder anzulegen um die magnetischen Eigenschaften dieser Zustände zu untersuchen und damit ihren Gesamtdrehimpuls zu bestimmen. Zukünftige Arbeiten an der experimentellen Apparatur werden, basierend auf der Arbeit und Planungen in diesem Projekt, die Atome abbremsen, fangen, und in optischen Pinzetten anordnen, um die Eignung für Quantensimulation detailliert zu untersuchen.