Università degli Studi di Pisa Dipartimento di Fisica
Studi sperimentali di eccitazioni di stati di Rydberg fortemente correlate in gas ultrafreddi
Tesi di Laurea di: Cristiano Simonelli
Professore Relatore: Ennio Arimondo
Gli atomi di Rydberg sono caratterizzati da un numero quantico principale molto elevato n > 20. Questo comporta molte proprieta` particolari tra cui un tempo di vita media molto lungo e una polarizzabilita` elevata. Quest’ultima, in modo particolare, porta a forti interazioni tra gli atomi di Rydberg che permettono lo studio di fenomeni fortemente correlati in gas di atomi ultrafreddi. Per questi motivi, gli atomi di Rydberg suscitano ancora oggi l’interesse della comunita` scientifica e si propongono come candidati per applicazioni nel campo della computazioni quantistica.
Se facciamo interagire una nube di atomi ultrafreddi con un fascio laser risonante con la transizione allo stato di Rydberg, lo spostamento in energia causato dall’interazione dipolare o di Van der Waals tra gli atomi di Rydberg, definisce zone nello spazio all’interno delle quali `e possibile avere una sola eccitazione, condivisa tra tutti gli atomi. Questo fenomeno `e noto in letteratura come bloccaggio dipolare. Ognuna di queste zone viene trattata come un Super Atomo a due livelli, dove i fenomeni collettivi sono resi evidenti da un aumento della frequenza di oscillazione tra lo stato eccitato collettivo e il fondamentale.
La dinamica degli atomi di Rydberg causata dall’interazione con una radiazione non risonante presenta delle particolarit`a ancora oggi non completamente comprese.
Diversamente da quando avviene nel caso risonante, dove si ha un volume in cui `e possibile una sola eccitazione, nel caso fuori risonanza la presenza di un atomo eccitato definisce un volume di facilitazione in cui lo spostamento in energia dei livelli, che deriva dall’interazione, compensa il disaccordo con la radiazione laser. Un atomo all’interno di questo volume `e sottoposto nuovamente a radiazione risonante e una volta eccitato lo accresce, dando luogo ad un processo a catena che va a formare un aggregato di eccitazioni allo stato Rydberg.
L’inizio del processo a catena dipende dalla presenza della prima eccitazione Rydberg e durante l’interazione con il fascio laser, questa avviene ad un tempo che `e funzione della frequenza di Rabi scelta. Per avere un maggior controllo sull’inizio di questo processo introduciamo la prima eccitazione tramite una breve interazione risonante di cui controlliamo inizio e durata. Questo funge da seed iniziale attorno al quale si sviluppa la crescita dell’aggregato. Questo meccanismo funziona in maniera opposta al bloccaggio dipolare e dipende sia dal segno del disaccordo sia dal tipo di interazione, attrattiva o repulsiva a seconda dello stato Rydberg scelto. Mentre per valori opposti al segno dell’interazione non ci aspettiamo cambiamenti evidenti nella dinamica, per valori uguali al segno dell’interazione, tutti gli atomi a distanza tale da compensare il valore del disaccordo vedono una radiazione risonante e comporta un aumento del tasso di eccitazione.
In questo lavoro di tesi vengono analizzati gli effetti delle interazioni sulla dinamica di un gas freddo di atomi di rubidio confinati in una trappola magneto ottica. Inizialmente viene introdotta una tecnica sperimentale che permette di variare la densità degli atomi coinvolti nella dinamica, fascio di depompaggio. Gli atomi sottoposti all’interazione con questo fascio vengono pompati in uno stato non accoppiato con la radiazione laser della transizione allo stato Rydberg. In questo modo gli atomi, pur essendo sempre presenti nel campione, non prendono parte alla dinamica quindi si ha una diminuzione effettiva della
densità di atomi.
Successivamente vengono studiati gli effetti del bloccaggio dipolare con eccitazione risonante per diverse densita` del campione di atomi e vengono testate le leggi di scala che governano sia il regime coerente e sia quello incoerente.
Una volta studiato l’effetto delle interazioni tra gli atomi di Rydberg sulla dinamica risonante, viene affrontato il tema della dinamica fuori risonanza . In questa seconda parte viene studiata la dinamica sia per diversi valori del disaccordo in energia con la radiazione, sia diverse densit`a di atomi e ne viene data una interpretazione fisica in termini del processo a catena. Oltre al numero medio di eccitazioni prodotte, vengono analizzate le distribuzioni dei conteggi degli atomi di Rydberg per caratterizzare qualitativamente il processo di eccitazione in funzione della densita`, del disaccordo e del tempo. Infine si presenta un modello semplificato che riproduce qualitativamente l’andamento di tali distribuzioni al variare degli stessi parametri
