High-resolution imaging of ordering in Rydberg many-body systems

Rydberg Atome sind auf Grund ihrer starken und kontrollierbaren
Wechselwirkungen gut geeignet zur Quantensimulation von
lang-reichweitig wechelwirkenden Systemen mit ultrakalten Atomen in
optischen Gittern. In dieser Arbeit wird die Präparation und
hochauflösende Abbildung von Rydberg Vielteilchensystemen
demonstriert und die spontane Entstehung selbst-organisierter
Ordnung beobachtet. In einer ersten Reihe von Experimenten wird die
Ordnung in den post-selektierten Komponenten hoher Anregungsdichte
bei hoher Temperatur untersucht. Die räumliche Konfiguration der
Rydberg-Atome wird mit einer neuartigen Abbildungsmethode
detektiert, die es ermöglicht die Position der individuellen
Rydberg-Atome im Gitter durch Fluoreszenzabbildung der ehemaligen
Rydberg-Atome nach dem Umpumpen in der Grundzustand zu bestimmen.
Aus den gemessenen Rydberg-Positionen werden Korrelationsfunktionen
berechnet und der Blockaderadius bestimmt. Für eine zweite
Experimentreihe wird die Zeitabhängigkeit der optischen Kopplung an
den Rydberg-Zustand kontrolliert. Zusammen mit der genauen
Modellierung des Besetzungsmusters im optischen Gitter erlaubt dies
die adiabatische Präparation von Rydberg Kristallen. Das System
kann auch durch einen Ising Hamiltonian mit polynomialen
Wechselwirkungen beschrieben werden, das diskutierte Szenario
entspricht damit der Grundzustandspräparation in einem
Quantenmagnet. Es werden Eigenschaften des kristallinen
Grundzustands wie seine verschwindende Suszeptibilität und lokale
Magnetisierungsdichten gemessen. Diese Arbeit stellt ein neue Stufe
der Kontrolle über lang-reichweitig wechselwirkende Spin-Systeme
dar und ebnet den Weg zur Quantensimulation mit Rydberg Atomen.