Couplage quadripolaire électrique entre l'électron du noyau ionique et l'électron circulaire de Rydberg d'un atome alcalino-terreux

Electric-quadrupole coupling between the ionic-core electron and the circular Rydberg electron of an alkaline-earth atom

• Auteur / Autrice : Andrea Muni
• Direction : Sébastien Gleyzes
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique quantique
• Date : Soutenance le 15/11/2021
• Etablissement(s) : Université Paris sciences et lettres
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique en Île-de-France (Paris ; 2014-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Kastler Brossel (Paris ; 1998-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement de préparation de la thèse : École normale supérieure (Paris ; 1985-....)
• Jury : Président / Présidente : Frédéric Chevy
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Sébastien Gleyzes, Patrick Cheinet, Bruno Laburthe-Tolra, Christiane Koch, Jérôme Lodewyck
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Patrick Cheinet, Bruno Laburthe-Tolra

Mots clés

Mots clés contrôlés

Théorie quantique

Mots clés libres

Rydberg

Strontium

Autoionization

Simulation quantique

Rydberg

Strontium

Autoionization

Quantum simulation

Résumé

Les atomes de Rydberg alcalino-terreux sont des outils très prometteurs pour les technologies quantique. Ils profitent des propriétés remarquables des atomes de Rydberg et, notamment, un énorme couplage aux champs externes ou à d’autres atomes de Rydberg tandis que le noyau ionique conserve un électron optiquement actif. Cependant, les états de Rydberg de faible moment angulaire subissent une auto-ionisation presque immédiate lorsque le noyau est excité. Classiquement, les deux électrons « entrent en collision » et un est expulsé. Cependant, ce n’est pas le cas pour les états circulaires. Ici, nous démontrons que les atomes de Strontium où un électron est dans un état de Rydberg circulaire, avec un noyau excité dans un niveau métastable 4d sont stables pendant plus de quelques millisecondes. Nous vérifions cette propriété pour un noyau ionique soit dans un état 4d, j = 3/2, soit dans un état 4d, j = 5/2. Aussi, nous mesurons la différence d’énergie entre les états 4d métastables de l’électron du noyau ionique, résultant du couplage électrostatique entre les deux électrons de valence, avec l’un préparé dans un état Rydberg. Nous montrons que cette différence d’énergie est fonction des nombres quantiques principaux et magnétiques de l’électron de Rydberg. Nous montrons que le couplage électrostatique entre les deux électrons de valence amène à contrôler l’état de l’un par l’état de l’autre. Cela ouvre la voie à la détection non destructive de l’état de l’atome de Rydberg. L’utilisation de la fluorescence émise par l’électron du coeur permet d’envisager la détection optique selective des états circulaires avec une sensibilité remarquable. Les résultats présentés dans ce travail sont importants dans le cadre de la réalisation d’un simulateur quantique Rydberg, exploitant les états circulaires du Strontium pour construire les qubits.

Alkaline-earth Rydberg atoms are very promising tools for quantum technologies. They benefit from the remarkable properties of Rydberg atoms and, notably, a huge coupling to external fields and to other Rydberg atoms while the ionic core retains an optically active electron. However, low angular-momentum Rydberg states suffer almost immediate autoionization when the core is excited. Classically, the two electrons “collide” and one is expelled. However, this is not the case for circular states. Here, we demonstrate that Strontium circular Rydberg atoms with a core excited in a 4d metastable level are stable for more than a few milliseconds. We verify this property while the ionic core is either in a 4d, j = 3/2 state or a 4d, j = 5/2 state. Furthermore, we measure the energy difference between the Zeeman sublevels of metastable 4d states of the ionic-core electron, resulting from the electric-quadrupole coupling between the two valence electrons, with one prepared in a Rydberg state. We show that the energy difference is a function of the principal and magnetic quantum numbers of the Rydberg electron. We show that this coupling between the two valence electrons leads to control the state of one depending on the state of the other. This opens the way to detect non-destructively the state of the Rydberg atom. Using the fluorescence emitted by the core electron allows us to envision a selective, optical detection of the circular states with remarkable sensitivity. The results presented in this work are important in the context of the realization of a Rydberg quantum simulator, exploiting the circular states of Strontium to build the qubits.