Átomos de Rydberg, que son átomos en un estado muy excitado, tienen varias propiedades únicas y ventajosas, incluyendo una vida útil particularmente larga y una gran sensibilidad a los campos externos. Estas propiedades los hacen valiosos para una variedad de aplicaciones, por ejemplo, para el desarrollo de tecnologías cuánticas.

Para que los átomos de Rydberg se utilicen de forma eficaz en la tecnología cuántica, sin embargo, los investigadores primero deben poder atraparlos. Si bien varios estudios han demostrado el atrapamiento de átomos de Rydberg utilizando magnéticos, eléctrico, o tecnología láser, los tiempos de captura logrados hasta ahora han sido relativamente cortos, típicamente alrededor de 100μs.

Los investigadores del Laboratoire Kastler Brossel (LKB) han logrado recientemente un tiempo de captura láser bidimensional más largo de átomos circulares de Rydberg de hasta 10 ms. El método que emplearon, esbozado en un artículo publicado en Cartas de revisión física , podría abrir nuevas e interesantes posibilidades para el desarrollo de la tecnología cuántica.

"Nuestro grupo de investigación en LKB es uno de los pocos en todo el mundo que puede preparar y manipular niveles circulares de átomos de Rydberg, "Clément Sayrin, uno de los investigadores que realizó el estudio, dijo Phys.org. "Nuestro grupo tiene una larga experiencia en el trabajo con átomos circulares de Rydberg, que se remonta a los años setenta y ochenta y al trabajo de Serge Haroche. Una parte importante de nuestras actividades de investigación se dedica ahora al uso de estos átomos en tecnologías cuánticas ".

La mayoría de los simuladores cuánticos que emplean átomos de Rydberg desarrollados hasta la fecha utilizan átomos de Rydberg no circulares. Estas tecnologías fueron pioneras en un grupo de investigación del Institut d'Optique Graduate School (IOGS) en Palaiseau. dirigido por Antoine Browaeys y Thierry Lahaye, así como por un equipo de Harvard dirigido por Mikhail Lukin.

Si bien estos simuladores han logrado resultados notables, sus capacidades se han visto limitadas por el hecho de que los átomos de Rydberg dentro de ellos no quedaron atrapados y, por lo tanto, continuaron moviéndose mientras funcionaba el sistema. El nuevo estudio realizado por Sayrin, Michel Brune (director de investigación), Rodrigo Cortiñas (estudiante de doctorado), Maxime Favier (estudiante de posdoctorado) y otros investigadores de LKB presentan una solución a este problema que implica el uso de átomos circulares de Rydberg (es decir, átomos en estados circulares de Rydberg) y una técnica conocida como atrapamiento láser.

"Cuando un átomo se excita a un nivel circular de Rydberg, se puede describir con justicia como un electrón que orbita lejos del núcleo en una órbita circular, una órbita casi tan grande como una bacteria, "Sayrin explicó." Por lo tanto, el electrón es electrones casi libres y libres, como cualquier partícula cargada, son repelidos por intensos campos de luz ".

Los investigadores esencialmente aprovecharon el hecho de que los átomos circulares de Rydberg son repelidos por la luz intensa para atraparlos. Lograr esto, produjeron un haz de luz en forma de rosquilla, más específicamente un rayo láser redondo con una mancha oscura en su centro, donde los átomos quedarían finalmente atrapados.

"Si un electrón está en el centro de la rosquilla, no puede escapar de él:está atrapado en el haz de luz, "Sayrin explicó." El núcleo pesado simplemente sigue, atraído por el electrón a través de la interacción de Coulomb! De alguna manera, atrapamos el átomo circular de Rydberg agarrándolo por su electrón ".

Sayrin y sus colegas produjeron el haz en forma de rosquilla utilizando una herramienta conocida como modulador espacial de luz (SLM). Los SLM son objetos que pueden imprimir patrones de fase en haces de luz, lo que a su vez modifica la forma de estas vigas. Estas herramientas únicas alguna vez se usaron ampliamente en proyectores de video para reflejar imágenes o videos en superficies.

"De alguna manera, hemos hecho nuestro propio proyector de video para producir el haz de rosquilla, pero en lugar de una bombilla como fuente, contamos con un potente láser infrarrojo, y en lugar de una pantalla iluminamos la imagen sobre los átomos de Rydberg, "Dijo Sayrin.

Hasta aquí, Los investigadores de todo el mundo solo han podido demostrar las primeras firmas del atrapamiento láser de átomos no circulares, que duró no más de unos pocos microsegundos. Átomos circulares de Rydberg, por otra parte, nunca antes había sido atrapado por láser.

El estudio reciente de Sayrin y sus colegas muestra que los átomos circulares de Rydberg pueden, De hecho, quedar atrapado por láser y para escalas de tiempo notablemente más largas. Hasta aquí, los investigadores pudieron atrapar estos átomos durante aproximadamente 10 milisegundos, sin embargo, este tiempo de captura podría aumentarse aún más en estudios futuros.

"También hemos demostrado que atrapar los átomos circulares de Rydberg no afecta sus propiedades (por ejemplo, toda la vida, pureza, y coherencia cuántica), "Dijo Sayrin." En particular, confirma el hecho de que los átomos circulares de Rydberg son inmunes a la fotoionización, al contrario de otros niveles de Rydberg ".

Los resultados podrían tener numerosas implicaciones importantes para el desarrollo de tecnologías cuánticas, incluyendo herramientas para simulación cuántica, sintiendo y procesamiento de información. De hecho, mantener eficazmente los átomos circulares de Rydberg en su lugar mientras los sistemas cuánticos están funcionando, como se demostró en su estudio, significa que estos átomos podrían usarse durante más tiempo. En última instancia, esto puede impulsar el rendimiento de diferentes tecnologías cuánticas, por ejemplo, mejorar la sensibilidad de los sensores, aumentar el tiempo de simulación de los simuladores, etcétera.

Sayrin y sus colegas ahora planean realizar una serie de átomos circulares de Rydberg atrapados por láser. Lograr esto, prepararán una serie de pinzas ópticas con un agujero en el centro, una estructura conocida como "trampa de haz de botella".

"Al atrapar uno y solo un átomo circular de Rydberg en cada botella, separados por unas micras, Produciremos una matriz regular de átomos circulares de Rydberg que interactúan, Sayrin explicó:"Esto hará realidad un simulador cuántico de espines interactivos que debería permitirnos ejecutar simulaciones en escalas de tiempo sin precedentes".

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