Kalte Atome

Kalte Atome als hochempfindliche Quantensensoren für chirale Moleküle

Experimentelles Setup

Die Rydberg Atomzustände könnten viele Lösungen bieten. Diese hoch angeregten Zustände haben sehr große äußere Orbitale, deren Größe als n^2 Quantenzahl skaliert wird, was zu einigen extremen Eigenschaften führt. Zwei Atome im gleichen Rydberg-Zustand tauschen bereitwillig virtuelle Photonen über nahe gelegene Rydberg-Spiegel aus, was zu einer starken van-der-Waals-Art der Interaktion führt. Zwei Atome in verschiedenen Rydberg-Zuständen können direkt Photonen austauschen, was zu einer resonanten Dipol-Dipol-Interaktion führt. Es gibt ein paar Dinge, die an diesen Wechselwirkungen interessant sind: Am wichtigsten ist, dass ihre Stärke und Reichweite über den angeregten Rydberg-Zustand eingestellt werden kann. Diese große Anzahl von Freiheitsgraden macht sie sehr attraktiv für Anwendungen in der Quanteninformation[1].

Die Idee des Projekts ist es, chirale Diskriminierung durch Fernfeldinteraktion zwischen chiralen Molekülen und Rydberg bekleideten kalten Atomen durchzuführen. Die Wechselwirkung zwischen den chiralen Molekülen und dem Rydbergzustand wird im Vergleich zu den Wechselwirkungen im Grundzustand aufgrund der extremen Eigenschaften der Rydbergatome verstärkt. [2]              

In unserem Experiment werden die Rb87-Atome in einer optischen Magneto-Falle in einem kreisförmigen Rydberg-gekleideten Zustand hergestellt, in dem ein Überschallstrahl aus chiralen Molekülen durch die Atomwolke strömt. Die Interaktion beinhaltet eine Relativbewegung, die den kreisförmigen elektronischen Zustand chiral erscheinen lässt. Dies macht es zu einem geeigneten System für die chirale Sensorik. Die Abrichtlaser-induzierte Kopplung des Rydberg-Zustandes und der Atomuhrenzustände hat gezeigt, dass sie eine Energieverschiebung im Rydberg-Zustand in eine Energieverschiebung in den ultra-stabilen Taktzuständen im gleichen Atom übersetzt, was zu einer Messung einer Änderung der Taktfrequenz führt. [4, 7]

[1]  Robert Löw,et al.‘An experimental and theoretical guide to strongly interacting Rydberg gases.’Journal of Physics B: Atomic, Molecular and Optical Physics45, 113001 (2012).

[2]  Haroche, S. Nobel Lecture: Controlling photons in a box and exploring the quantum to classical
boundary, Rev. Mod. Phys. 85, 1083-1102 (2013).

[3]  Kitching, J. Knappe, S., Donley E. A. Atomic Sensors – A Review, IEEE Sensors Journal 11, 1749-
1758 (2011).

[4]  Jau, Y.-Y, Hankin, A. M., Keating, T., Deutsch, I. H., and Biedermann, G. W. Entangling atomic spins
with a Rydberg-dressed spin-flip blockade. Nature Phys 12, 71-64 (2016).