用EMCCD相机观察巨原子对单粒子灵敏度里德堡原子的光学成像

原子、分子和光学物理学的技术和科学进步使人们对光和物质甚至单个原子和光子的控制达到了一个新的水平。人们已经投入了相当大的努力来观察具有单粒子分辨率和灵敏度的多体量子系统的动力学，这将允许实现能够解决量子和经典物理基本问题的量子模拟器。由于超冷气体中的高激发（里德堡）原子具有超大的偶极矩和长程相互作用，因此可以用来研究量子非线性光学效应和类似于光合作用基本过程的偶极介导的能量传输。

图1：探测原子（绿点）是在EIT条件下制备的，但当它们与杂质（橙色点）的距离在Rc范围内时，辅助里德堡态|Rp>上的相互作用诱导的能级移动打破了EIT条件，并允许这些原子再次吸收探测光束，在图像中投射阴影。如果杂质被分离的距离大于Rc，则吸收点是可分辨的。图改编自[1]。

使用吸收成像常规地成像中性原子的云。然而，雷伯格原子没有方便的闭环过渡，渲染这种简单的方法看似不可应用。在Heidelberg大学的物理研究所，该团队由M.Weidemüller教授领先于最近提出并证明了基于非破坏性和国家选择性技术的光学图像rydberg原子的新方法。

该方法，称为“交互增强成像”（IEI）[1]，基于吸收成像，但是添加到它三个键元素（图1）：首先，rydberg封锁效果[2]保证rydberg原子之间的距离在调查（“杂质”）大于成像系统的光学分辨率的情况下，第二周围原子（“探测”原子）使用电磁诱导的透明度（EIT）共振[3]耦合到光场[3]以使它们探测光束和第三rydberg-rydberg相互作用透明地将局部的EIT耦合在半径RC≈μm内的每个杂质周围，触发大量吸收并浇铸在以杂质上为中心的吸收图像中的阴影。每个杂质rydberg原子的预期信号是仅在rydberg杂质的许多背景原子的吸收和在没有杂质上的杂质上的杂质中的残留吸收之间的差异。

图2：用于单rydberg成像的预期SNR，RC内部具有10个探头原子作为光子通量[光子/像​​素/μs]的功能，具有不同的ANDOR IXON Ultra的常规和EM操作模式的不同设置。虚线标记SNR> 1的阈值。

原理证明实验成功地证明了数百种里德堡杂质的集成方法，并允许在连续观测下研究里德堡能量传输[4]。现在，我们的目标是实现空间分辨率和单里德堡原子敏感检测，这需要仔细控制成像方法的特性，并大幅降低噪声，为此，使用高性能CCD相机（如安道尔iXon Ultra EMCCD DU897-UCS-EXF）至关重要。

ANDOR IXON ULTRA EMCCD具有非常低的读取噪声，靠近1E / PHOLON的非常高的灵敏度，量子效率> 80％在780nm处。仔细表征了相机性能，并将结果纳入了预期的rydberg杂质IEI成像的信噪比的模型中。为了计算信号，我们通过在EIT谐振下的RB87的原子云和围绕单个rydberg杂质的可变数量的探测原子来建模光吸收的物理细节。作为噪声源，我们考虑了读出噪声，光子拍摄噪声和光学成像系统的限制。假设整个信号集中在一个像素中，通过测量围绕单个rydberg杂质的十个接地状态原子的吸收，应该可以在仅1微秒的曝光时间内使用高于2的SNR检测其位置和光子通量> 20光子/像素/μs（图2）。

图3：单原子云的三组快速动力学图像，彼此相隔65微秒：第（a）行通过简单吸收成像研究云的密度分布，第（B）行诱导EIT，并使用相互作用增强成像进行测量。在这两种情况下，由于成像期间的热效应引起的热膨胀，原子云在连续图像中更宽。

另一个能够研究样品在时间上演化的特征是快速动力学模式。以前，同一物体的多幅图像是通过对整个CCD进行几次独立曝光拍摄的，但由于读出过程，这对两次采集之间的时间延迟设置了强烈的限制，通常为几百毫秒。在快速动力学模式下，只有一部分CCD阵列暴露在光线下，而其余部分被遮掩。通过在图像后将曝光的行移到下面的暗行中，CCD允许快速连续采集，间隔仅为几十微秒。图3显示了通过吸收成像（A行）和通过相互作用增强成像（B行）探测的原子云的快速动力学图像序列的示例，没有杂质。在后者中，可以观察到由于EIT共振而导致的吸收减少。加入里德堡杂质会局部增加光吸收，从而检测其位置。

随着ANDOR IXON ULTRA EMCCD的成像设置升级，我们现在期望能够观察单个Rydberg原子并以高时和空间分辨率研究其动态。

参考

1. G.Günter，M. Robert-de Saint-Vincent，H. Schempp，C.Hofmann，S. Whitlock和M.Weidemüller，'互动增强了嵌入茂密的原子气体的单个原子的成像，物理。rev. lett。108,013002（2012）
2. D.Comparator和P.Pillet，《冷里德堡原子样品中的偶极子阻滞》，J.Opt。Soc。是B27，A208（2010年）。
3. M.Fleischhauer、A.Imamoglu和J.P.Marangos，《电磁感应透明：相干介质中的光学》，第。摩登派青年菲斯。77, 633 (2005).
4. G. Günter, H. Schempp, M. Robert-de Saint-Vincent, V. Gavryusev, S. Helmrich, C. S. Hofmann, S. Whitlock, and M. Weidemüller, ‘Observing the Dynamics of Dipole-Mediated Energy Transport by Interaction-Enhanced Imaging’, Science 342, 954 (2013)