Local and single atom resolved study of non-linear excitation dynamics and dissipation in off-resonantly driven Rydberg gases

非共振驱动里德堡气体中非线性激发动力学和耗散的局部和单原子解析研究

基本信息

项目摘要

Rydberg atoms in optical lattices provide a unique platform for the study of quantum many-body physics. Distinct to other systems, strong long-range interactions govern the physics of such Rydberg lattice gases. In most experiments realized so far interaction effects stemmed from the long-distance van-der-Waals or dipole-dipole interaction between the Rydberg atoms. However, their two-body interaction potentials are extremely rich at short distances and provide a little explored resource for many-body physics.We plan to study this short-range physics in laser coupled Rydberg many-body systems with local detection of the Rydberg atoms. In particular we aim at the study of facilitated systems arising from the interplay of nonlinear excitation and dissipation. We will explore non-equilibrium dynamics in these systems and aim to link them to phenomena found in soft-matter systems, especially glasses. In the atomic system, not only the nonlinear excitation can be controlled by the choice of the Rydberg states and laser detuning, but also the dissipation can be tuned via controlled addition of laser phase noise or additional laser coupling to low lying states. We plan to study such dissipative systems not only in the classical, but also in the quantum regime.Our study will shed light on short-range dissipative processes in off resonantly coupled Rydberg gases. The understanding of these processes is required to realize Rydberg dressed systems in the continuum. These promise the implementation of long-range interacting quantum systems of mobile atoms, with the prospect of realizing and studying fascinating novel quantum states such as supersolids.Distinct to other available experimental platforms, we will study Rydberg physics starting with the perfectly ordered Mott insulating state of atoms in a single plane of an optical lattice. The small system sizes of up to 200 particles allow for a bottom up study of the arising many-body physics including the dimensional dependence by changing from one- to two-dimensional systems. We will use a local detection technique build on top of our rubidium-87 quantum gas microscope to observe the Rydberg atoms in situ with single lattice site resolution.This project clearly belongs to the many-body physics part of the GiRyd program. The combination of available technology in our experiment is unique within GiRyd in terms of preparation and detection capabilities enabling unique studies of dissipative many-body systems not possible in any other existing setup.
光晶格中的里德伯原子为量子多体物理的研究提供了一个独特的平台。与其他系统不同的是,强长程相互作用支配着这种里德堡晶格气体的物理性质。在大多数实验中,迄今为止实现的相互作用效应源于里德伯原子之间的长距离范德华力或偶极-偶极相互作用。然而,它们的两体相互作用势在短距离下非常丰富,为多体物理提供了一个很小的探索资源,我们计划在激光耦合Rydberg多体系统中研究这种短距离物理,并对Rydberg原子进行局域探测。特别是,我们的目标是研究所产生的非线性激发和耗散的相互作用的促进系统。我们将探索这些系统中的非平衡动力学,并旨在将它们与软物质系统中发现的现象联系起来,特别是玻璃。在原子系统中,不仅可以通过选择里德伯态和激光失谐量来控制非线性激发,而且可以通过受控地增加激光相位噪声或附加的激光耦合到低激发态来调谐耗散。我们计划不仅在经典体系中,而且在量子体系中研究这类耗散系统,我们的研究将有助于阐明非共振耦合里德堡气体中的短程耗散过程。这些过程的理解是需要实现里德伯穿着系统的连续。这些承诺的实施远程相互作用的量子系统的移动的原子,与前景的实现和研究迷人的新的量子态,如supersolids.Distinct到其他现有的实验平台,我们将研究里德伯物理开始与完美有序的莫特绝缘状态的原子在一个单一的平面的光学晶格。最多200个粒子的小系统尺寸允许对所产生的多体物理学进行自下而上的研究,包括通过从一维系统变为二维系统的维度依赖性。我们将使用建立在铷-87量子气体显微镜上的局部探测技术,以单晶格位置分辨率原位观察里德堡原子。该项目显然属于GiRyd计划的多体物理部分。在我们的实验中,现有技术的组合在GiRyd的制备和检测能力方面是独一无二的,这使得对耗散多体系统的独特研究在任何其他现有设置中都是不可能的。

项目成果

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