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Control and characterisation of a Rydberg spin system to explore many-body physics

Ferreira Cao, Miguel

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Abstract

This thesis explores the implementation of a spin-1/2 system to realise quantum simulation of Heisenberg XX and XXZ models. The spins are mapped onto two high-lying atomic levels, so-called Rydberg states, in an ultracold sample of 87Rb and coupled by a microwave field. Efficient synthesis and control of the driving field has been introduced in the setup in order to probe the spin dynamics with NMR sequences. Two- and three-photon excitation schemes are implemented to prepare the Rydberg spins. In order to spatially resolve the Rydberg excitation dynamics, a new imaging technique is employed, which uses the depletion of absorption in presence of Rydberg atoms to detect their distribution in the atomic cloud, revealing the emergence of spatial order of the Rydberg excitations due to strong van der Waals interactions. To benchmark the validity of this platform, the coherence of the spin ensemble is measured by Ramsey techniques in the low-density regime, where the single-spin dynamics accurately describes the observations. Despite the black-body redistribution of Rydberg spins setting a limit for the T2* time of the spin system, the coherence is measured to persist over long timescales on the order of 130 μs. Thus, scaling up the density of spins, first signatures of dipolar many-body effects for |nS⟩ − |nP⟩ (XX) and |nS⟩ − |(n + 1)S⟩ (XXZ) spin combinations have been observed.

Translation of abstract (German)

Diese Arbeit beschreibt die Implementierung und Charakerisierung eines Spinsystems um einen Quantensimulator des Heisenberg XX und XXZ Hamiltonians zu realisieren. Die Spins werden auf zwei hoch gelegenen Atomniveaus abegbildet, diese sogenannten Rydberg Zustände werden in einem ultrakalten Gas von 87Rb angeregt und mittels Mikrowellenstrahlung gekoppelt. Eine effiziente Synthese und Kontrolle des angelegten Feldes wurde in der Versuchsanordnung eingeführt um die Spindynamik mit NMR Sequencen zu proben. Zwei- oder Drei-Photon Anregungsschemata sind implementiert um die Rydberg-Spins zu preparieren. Um die Dynamik der Rydberg-Anregungung räumlich aufzulösen, wurde eine neue Abbildungsmethode angewendet, die die Verringerung der Absorption in Gegenwart von Rydberg-Atomen nutzt. Dies zeigte die Entstehung räumlicher Ordnung durch Van-der-Waals-Wechselwirkungen. Um die Gültigkeit dieser Plattform zu überprüfen, wurde die Kohärenz des Spin-Ensembles mittels der Ramsey-Methode bei geringer Dichte gemessen, bei der die Einzelspindynamik genau die Beoabachtungen beschreibt. Abgesehen von der Schwarzkörper-Umverteilung der Rydberg-Spins, die eine Grenze für die T2* Zeit des Spin-Systems setzt, besteht die Kohärenz über lange Zeitskalen von etwa 130 μs. Durch ein Hochskalieren der Spindichte konnten erste Signaturen von dipolaren Vielkörpereffekten für |nS⟩−|nP⟩ (XX) und |nS⟩−|(n + 1)S⟩ (XXZ) Spinkombinationen beobachtet werden.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Weidemüller, Prof. Dr. Matthias
Date of thesis defense: 23 November 2017
Date Deposited: 05 Dec 2017 14:24
Date: 2017
Faculties / Institutes: The Faculty of Physics and Astronomy > Institute of Physics
The Faculty of Physics and Astronomy > Institute for Theoretical Physics
The Faculty of Physics and Astronomy > Institute of Environmental Physics
The Faculty of Physics and Astronomy > Kirchhoff Institute for Physics
Subjects: 000 Generalities, Science
500 Natural sciences and mathematics
530 Physics
Controlled Keywords: Rydberg-Zustand, Spin Dynamik, Microwellen, Spektroskopie
Uncontrolled Keywords: Rydberg atoms, spin dynamics, microwave control, atomic spectroscopy, quantum control, many-body physics, quantum magnetism, Heisenberg model, imaging, absorption imaging, interaction enhanced imaging.
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