Nature Physics: 环形里德堡态的光学相干操纵

图1 不施加激光脉冲时，里德堡电子沿环形轨道围绕原子核运行（方向如蓝色箭头所示）。（b）当激光脉冲将内部电子转移到激发态轨道时，静电力将里德堡电子推到半径更大的轨道上，电子在这一轨道上运动速度减慢

里德堡原子是指一个或多个电子被激发到主量子数较高轨道的原子。由于这种原子电偶极矩较大、能够与外部场产生强耦合相应，因此在量子技术应用方面潜力巨大。

尽管里德堡原子有许多优点，但物理学家们发现，光学上可操纵的里德堡态寿命往往很短，因而限制了里德堡原子在量子技术中的性能。要解决这一问题，可以使用寿命更长的环形里德堡态，但目前为止很难对这种态进行光学操控。

巴黎文理研究大学、索邦大学、巴黎萨克雷大学、圣卡洛斯联邦大学的研究人员们近期实现了对环形里德堡态的相干操纵。其研究成果发表于Nature Physics上，此篇文章为开发量子技术的光-微波平台开辟了新的可能性。

“碱金属原子常被用于里德堡态相关研究中，因为即使一个电子处于里德堡态，仍然还有第二个电子、可以用激光对原子进行操纵。”Sébastien Gleyzes是此项研究的参与者之一，他说。“然而存在一个问题：如果里德堡电子的‘轨迹’（即波函数）太过于椭圆形，当用激光激发第二个电子时，两个电子会发生碰撞，从而导致原子发生自动电离。”

在他们的实验中，Gleyzes及其同事使用了环形里德堡态，在这种态中，里德堡原子的轨道或波函数是一个圆形，因此当原子内的第二个电子被激发时，几乎不会与第一个电子碰撞。

“我们最初是想证明我们可以在不发生原子电离的情况下激发第二个电子，” Gleyzes说。“然而，在实验过程中，我们观察到两个圆形里德堡态之间的跃迁频率取决于第二个电子是否处于激发态。”

图2 实验装置被密封在低温恒温器内，并用液氦冷却

研究人员发现，即使里德堡原子内的两个价电子在圆形里德堡态中距离非常远，它们仍然可以通过静电力“感受到对方”。研究人员随后证明，这两个电子之间的“静电耦合”能够用于相干操纵圆形里德堡态。

“在经典理论中，里德堡电子的运动频率取决于离子核电子的状态（其状态可以用‘上’或‘下’来表示）。”Gleyzes解释道。“我们在轨道上的给定位置准备电子，并等待一段时间T——这段时间内如果离子核电子处于‘下’态，里德堡电子进行整数圈运动。若要使用光学方法改变里德堡电子的状态，可以用激光脉冲将离子核电子瞬间改变到另一状态（即“上”态）。”

通过将离子核电子改变至第二种状态，电子的运动被减慢、在等待时间T结束后最终到达轨道的另一端。换句话说，研究人员能够通过施加或移除激光脉冲来控制里德堡电子的状态（电子在轨道的一端和另一端之间波动）。

“我们认为碱金属里德堡原子的性质也许会非常独特，因为一个电子可以用于量子过程，而另一个电子能用于控制原子的运动（冷却原子或捕获原子），” Gleyzes说。“然而在此项研究进行之前，我们认为这两个电子是彼此独立工作的。”

此项光学操纵碱金属环形里德堡态的技术为量子技术的发展开辟了新的可能性。事实上，他们的工作首次证明了碱金属里德堡原子内部的两个价电子并非完全独立，从而能够利用其中一个来操纵、探测另一个的状态。

“有很大可能可以将离子核电子的荧光调整到里德堡电子态，比如如果想要无损地测量里德堡电子的状态，”Gleyzes补充说。“我们团队的长期目标是建立一个基于碱金属原子环形态的量子模拟器。”

文章见：Andrea Muni et al, Optical coherent manipulation of alkaline-earth circular Rydberg states, Nature Physics (2022). DOI: 10.1038/s41567-022-01519-w。