Forschungsbericht 2015 - Max-Planck-Institut für Physik komplexer Systeme

Atomare Riesen in neuem Licht: Nichtlineare Licht-Materie-Wechselwirkung in ultrakalten Rydberg-Gasen

Autoren
Pohl, Thomas
Abteilungen

Komplexe Dynamik in kalten Gasen

Zusammenfassung
Von den Anfängen der Quantenmechanik bis hin zu jüngsten Entwicklungen von Cavity-QED-Experimenten spielt die Physik von hoch angeregten Atomen seit Langem eine wichtige Rolle. In ultrakalten Gasen ist es nun möglich, die bemerkenswerten Eigenschaften dieser Atome präzise zu untersuchen und gezielt zu nutzen.

Die grundlegenden Eigenschaften von Atomen werden in der Regel durch die rasante Dynamik ihrer Elektronen im Bereich von nur wenigen Pikometern und Attosekunden bestimmt. Regt man Atome jedoch in hochenergetische Zustände an, so potenzieren sich diese Skalen um ein Vielfaches. Im interstellaren Raum wurden diese sogenannten Rydberg-Atome mit einer erstaunlichen Größe von nahezu einem zehntel Millimeter beobachtet. In Experimenten an ultrakalten Gasen mit tiefen Temperaturen von wenigen Mikrokelvin können angeregte Atome mit ähnlich überdimensionierten Eigenschaften seit einigen Jahren auch im Labor gezielt erzeugt und detailliert untersucht werden. Die daraus resultierende Umkehr von typischen Energie- und Zeitskalen führt zu einer Reihe ungewöhnlicher Eigenschaften, deren vielschichtige Auswirkungen auch im Rahmen der Molekülphysik, Quantenoptik, Quanteninformation und Vielteilchenphysik [1] großes Interesse erregen.

Von gefrorenen Anregungen ...

Für gewöhnlich wird die Wechselwirkung zwischen tief gebunden Atomen erst bei recht geringen Abständen relevant und führt daher zur Bildung von Molekülen und Festkörpern mit Bindungslängen von nur wenigen Zehntel Nanometern. Ein weit vom Kern entferntes Rydberg-Elektron hingegen wird nur noch schwach von der Coulomb-Anziehung beeinflusst und daher selbst durch kleinste elektrische Felder enorm gestört. Diese erhöhte Empfindlichkeit führt zu einer beachtlichen Verstärkung der Wechselwirkung zwischen Rydberg-Atomen von bis zu 15 Größenordnungen. Derart starke Wechselwirkungen lassen sich noch im Abstand von einigen Mikrometern experimentell nachweisen und eröffnen damit zahlreiche Perspektiven für die Untersuchung von korrelierten Quantensystemen. So führt schon die Erzeugung eines Rydberg-Gases, d. h. die Laseranregung einer ultrakalten Atomwolke, zu einer stark korrelierten Dynamik.

Abb. 1: (a) Illustration der Rydberg-Blockade: die starke Wechselwirkung (violette Linie) von Rydberg-Zuständen verhindert die gleichzeitige Laseranregung von hinreichend eng benachbarten Atomen. (b) Gemessene und (c) berechnete Dichteverteilung der daraus resultierenden geordneten Strukturen von Rydberg-Atomen in einem lasergetriebenen kalten Atomgitter.

Eine effiziente Anregung kann hierbei nur gelingen, wenn die Frequenz des eingestrahlten Lichtes nahezu mit der Übergangsfrequenz des angestrebten Zustandes übereinstimmt. Die starke Wechselwirkung zwischen zwei Rydberg-Atomen kann jedoch ihre Übergangsfrequenz so weit aus der Resonanz verschieben, dass sich nur noch eines der beiden Atome anregen lässt (siehe Abb. 1). Die Reichweite dieser sogenannten Rydberg-Blockade kann sich über große Distanzen von einigen Mikrometern erstrecken. Für typische Dichten von ultrakalten Atomgasen ist dieser Blockaderadius um ein Vielfaches größer als der mittlere Abstand der kalten Atome. Folglich kann ein einziges Rydberg-Atom die Anregung von vielen hundert Atomen in seiner Umgebung vollständig blockieren und bildet damit gewissermaßen ein "Super-Atom" bestehend aus einem einzigen, über viele Atome verteilten Rydberg-Zustand.

Die gekoppelte Dynamik dieser kollektiven Anregungen lässt sich mittels der Frequenz und Intensität des eingestrahlten Lichtes gut kontrollieren. Unter anderem ist es damit möglich, geordnete Strukturen oder gar Kristalle von Rydberg-Anregungen in einem Gas zu erzeugen [2]. Diese spontane Bildung von geordneten Strukturen konnte bereits experimentell nachgewiesen werden [3]. Den Ausgangspunkt bildet hierbei ein zwei-dimensionales Gitter von ultrakalten Atomen mit einem Gitterabstand von wenigen hundert Nanometern, das sich mithilfe von optischen Fallen präparieren lässt.

Anschließend werden alle Atome mit einem zusätzlichen Anregungslaser bestrahlt und die so erzeugten Rydberg-Atome ortsaufgelöst gemessen. Wie in Abbildung 1 gezeigt, führt die starke Wechselwirkung zwischen den Atomen in der Tat zu einer geordneten Anregung des Systems. Diese kristallartigen Strukturen unterscheiden sich jedoch grundlegend von geläufigen Kristallen eines Festkörpers, da sich die lasergenerierten Rydberg-Anregungen in einem quantenmechanischen Überlagerungszustand befinden und über das gesamte Atomgitter verteilt sind. Erst durch Messung eines Rydberg-Atoms kommt es zur Lokalisierung weiterer Anregungen und die zugrunde liegende Struktur wird schließlich sichtbar.

Aufgrund der starken Wechselwirkung läuft die Strukturbildung auf derart kurzen Zeitskalen ab, dass die Bewegung der ultrakalten Atome nahezu vernachlässigbar ist und das System gewissermaßen als ein gefrorenes Gas betrachtet werden kann. Hieraus ergibt sich eine vielversprechende Analogie zur Physik von Magneten, indem man den atomaren Grund- und Rydberg-Zustand mit den zwei Freiheitsgraden eines ansonsten unbeweglichen Spins assoziiert. Das oben beschriebene Szenario realisiert dabei das sogenannte Ising-Modell, eines der grundlegendsten und einfachsten Modelle für Magnetismus. Aktuelle Arbeiten streben unter anderem Erweiterungen auf allgemeinere Modelle an, um damit einen breiten atomphysikalischen Zugang zu exotischen Ordnungsphänomenen in Quantenmagneten zu schaffen. Besonders attraktiv ist hierbei, dass sich dann nicht nur die Gleichgewichtszustände sondern auch die Quantendynamik solcher Spin-Systeme untersuchen lassen.

... zu wechselwirkendem Licht

Während sich Licht im Vakuum ungestört ausbreitet, kann man in vielen Materialien eine gegenseitige Beeinflussung von Lichtstrahlen beobachten. Im Allgemeinen sind solche nichtlinearen Effekte jedoch sehr schwach und werden erst bei äußerst hohen Intensitäten relevant. Um effektive Wechselwirkungen zwischen einzelnen Lichtquanten, d. h. Photonen, zu ermöglichen, bedarf es daher optischer Medien mit weitaus größeren Nichtlinearitäten, deren Realisierung ein langjähriges Ziel in der Quantenoptik darstellt. Wie sich in den letzten Jahren gezeigt hat, bieten ultrakalte Rydberg-Gase hierfür einen vielversprechenden Ausgangspunkt.

Möglich wird dies wiederum durch die starke Wechselwirkung zwischen Rydberg-Atomen, deren Auswirkungen man mithilfe von cleveren Anregungsschemata gewissermaßen auf die Photonen des Anregungslasers abbilden kann. Dabei werden die Atome mit zwei Lichtfeldern angeregt: einem schwachen Teststrahl und einem intensiveren Laser, mit dem sich die Ausbreitung des Teststrahls kontrollieren lässt. Bei geeigneter Wahl der Laserfrequenzen kommt es aufgrund von Interferenz zwischen beiden Anregungspfaden zu einer sogenannten elektromagnetisch induzierten Transparenz (EIT). Dabei wird ein Material (in unserem Fall ein ultrakaltes Gas), das den Teststrahl nahezu vollständig blockieren würde, von dem Kontrollstrahl gehindert, Test-Photonen zu absorbieren, und somit durchlässig gemacht. Der EIT-Effekt beruht auf der Ausbildung von sogenannten Polaritonen: einem gekoppelten Zustand aus einem Photon und einer atomaren Anregung, der sich mit einer stark reduzierten Geschwindigkeit nahezu verlustfrei durch das optische Medium bewegt.

Abb. 2: (a) Bei der Ausbreitung von Licht durch ein kaltes Gas kommt es zur Ausbildung von gemischten Zuständen (Rydberg-Polaritonen) von Photonen und Rydberg-Atomen. Deren starke Wechselwirkung führt zu erheblichen Korrelationen zwischen einzelnen Photonen. (b) Im Experiment gemessene (Punkte) und berechnete (Linie) Photonen-Korrelationsfunktion.

Bestehen nun die Polaritonen aus Rydberg-Anregungen, so hat deren Wechselwirkung erhebliche Konsequenzen für die Ausbreitung des eingestrahlten Lichtes. Dabei verhindert die Wechselwirkung mit dem aus einem Photon entstandenen Rydberg-Polariton die Ausbildung von Polariton-Zuständen für nachfolgende Photonen. Der daraus resultierende Zusammenbruch des EIT-Effekts führt unweigerlich zur Absorption dieser Photonen.

Wie in Abbildung 2 dargestellt, ergibt sich damit ein analoges Szenario zur atomaren Rydberg-Blockade, bei dem die kalte Atomwolke innerhalb eines gewissen Blockaderadius nur ein einzelnes Photon passieren lässt. Im Gegensatz zum oben beschriebenen atomaren Fall erfordert dies ein drei-dimensionales Gas mit hohen Dichten, um eine optische Absorptionslänge weit unterhalb des Blockaderadius zu gewährleisten.

Auch solche Bedingungen wurden kürzlich in ultrakalten Gasen realisiert, wobei starke Wechselwirkungen zwischen einzelnen Lichtquanten mittels zeitaufgelöster Detektion von Photonenpaaren experimentell nachgewiesen werden konnten [4]. Rechnungen zeigen, dass es dabei sogar möglich sein sollte, kurze Laserpulse direkt in einzelne Photonen umzuwandeln, d. h. neuartige Einzel-Photonen-Lichtquellen zu konstruieren [5]. In der Tat konnten in weiterführenden Experimenten bereits optische Transistoren realisiert werden [6, 7], die es, analog zu elektronischen Bauelementen, erlauben, einen Fluss vieler Photonen mit einem einzigen Photon zu steuern. Theoretisch lassen sich die starken Rydberg-Wechselwirkungen auf ähnliche Weise auch auf Grundzustandsatome abbilden [8]. In einem ultrakalten Gas führt dies zu interessanten Effekten, wie zum Beispiel die Herausbildung von sogenannten suprasoliden Zuständen [9], die gleichzeitig Eigenschaften fester als auch suprafluider Materie zeigen. Insgesamt stellt sich damit Frage, ob es in Zukunft möglich werden kann, korrelierte Vielteilchensysteme, d. h. materieartige Zustände, rein aus Licht zu realisieren.

Literaturhinweise

1.
Saffman, M.; Walker, T. G.; Mølmer K.
Quantum information with Rydberg atoms
Reviews of Modern Physics 82, 2313 (2010)
2.
Pohl, T.; Demler, E.; Lukin, M. D.
Dynamical Crystallization in the Dipole Blockade of Ultracold Atoms
Physical Review Letters 104, 043002 (2010)
3.
Schauß, P; Cheneau, M.; Endres, M; Fukuhara, T.; Hild, S.; Omran, A; Pohl, T.; Gross, C.; Kuhr S.; Bloch, I.
Observation of spatially ordered structures in a two-dimensional Rydberg gas
Nature 491, 87-91 (2012)
4.
Peyronel, T.; Firstenberg, O.; Liang, Q.-Y.; Hofferberth, S.; Gorshkov, A. V.; Pohl, T.; Lukin, M. D.; Vuleti, V.
Quantum nonlinear optics with single photons enabled by strongly interacting atoms
Nature 488, 57-60 (2012)
5.
Gorshkov, A. V.; Nath, R.; Pohl, T.
Dissipative Many-Body Quantum Optics in Rydberg Media
Physical Review Letters 110, 153601 (2013)
6.
Tiarks, D.; Baur, S.; Schneider, K.; Dürr, S; Rempe, G.
Single-Photon Transistor Using a Förster Resonance
Physical Review Letters 113, 053602 (2014)
7.
Gorniaczyk, V; Tresp, C.; Schmidt, J.; Fedder, H.; Hofferberth, S.
Single-Photon Transistor Mediated by Interstate Rydberg Interactions
Physical Review Letters 113, 053601 (2014)
8.
Gil, L. I. R.; Mukherjee, R.; Bridge, E. M.; Jones, M. P. A.; Pohl, T.
Spin Squeezing in a Rydberg Lattice Clock
Physical Review Letters 112, 103601 (2014)
9.
Cinti, F.; Macrì, T.; Lechner, W.; Pupillo, G.; Pohl, T.
Defect-induced supersolidity with soft-core bosons
Nature Communications 5, 3235 (2014)

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