[論文レビュー] All-optical production of a superfluid Bose-Fermi mixture of $^6$Li and $^7$Li

Takuya Ikemachi, Aki Ito+5 more|arXiv (Cornell University)|Jun 30, 2016

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates参考文献 31被引用数 7

ひとこと要約

本論文は、Feshbach共鳴で調整された系において、蒸発冷却と共役冷却を用いて、$^6$Li（フェルミ粒子）と$^7$Li（ボソン）を用いて、最初のすべて光的（オールオプティカル）な超流動的ボーズ＝フェルミ混合系を実現した。効率的なフェルミ粒子の蒸発冷却と、冷却されたフェルミ粒子との相互作用によるボソン冷却を活用することで、著者らは$3 \times 10^4$ 個の$^6$Liおよび$5 \times 10^5$ 個の$^7$Li原子を含む超流動状態に到達し、二重モードの運動量分布および断片的ボーズ＝アインシュタイン凝縮（BEC）を通じて、超流動的混合系の形成を確認した。

ABSTRACT

We report the first all-optical production of a superfluid Bose-Fermi mixture with two spin states of $^6$Li (fermion) and one spin state of $^7$Li (boson) under the resonant magnetic field of the s-wave Feshbach resonance of the fermions. Fermions are cooled efficiently by evaporative cooling and they serve as coolant for bosons. As a result, a superfluid mixture can be achieved by using a simple experimental apparatus and procedures, as in the case of the all-optical production of a single Bose-Einstein condensate (BEC). We show that the all-optical method enables us to realize variety of ultracold Bose-Fermi mixtures.

研究の動機と目的

• 磁場や複雑な荷電プロトコルを用いずに、超流動的ボーズ＝フェルミ混合系を生産するシンプルでオールオプティカルな手法の開発。
• Feshbach共鳴で調整された系において、フェルミ粒子が共役冷却を通じてボソンを効率的に冷却できるかどうかの実証。
• 光トラップとレーザーのみを用いて、$^6$Li（2つのスピン状態）と$^7$Li（1つのスピン状態）の混合系で超流動状態を実現すること。
• 今後の多体物理学実験のための、スピン状態、粒子数、冷却ダイナミクスに対する高い制御性を実現すること。

提案手法

• 1070 nmの高出力（HP-ODT）および低出力（LP-ODT）ビームを用いた二重光ドライフトラップ（ODT）系を用いて、$^6$Liおよび$^7$Li原子を捕らえた。
• 2次元-MOT（2D-MOT）からODTへの原子のロードに、調整された冷却およびリポップングレーザーを用いた同時3次元磁気光的トラップ（3D-MOT）を採用した。
• ODT内で蒸発冷却を実施し、$^6$Liフェルミ粒子は散乱断面積の増大により効率的に冷却されたが、$^7$Liボソンは冷却されたフェルミ粒子との衝突を通じて共役冷却された。
• Feshbach共鳴（832.18 G）を用いて、$^6$Li-$^6$Li、$^6$Li-$^7$Li、$^7$Li-$^7$Liの散乱長を制御した。
• 60秒の1/e寿命を維持する長寿命捕らえを実現するため、LP-ODTのレーザー出力をフィードバック制御で安定化した。
• 超流動性およびBEC形成の同定に、運動量分布およびインサイト密度分布を測定した。断片的BECの存在も含めた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 磁場や複雑な荷電手順を用いずに、光トラップとレーザーのみで超流動的ボーズ＝フェルミ混合系を生成できるか？
• RQ2 Feshbach共鳴系において、フェルミ粒子がボソンをどの程度効率的に共役冷却できるか？
• RQ3 フェルミ粒子の冷却が存在する条件下で、BEC形成に必要な最小の初期ボソン対フェルミ粒子比は何か？
• RQ4 運動量分布およびインサイト密度分布は、超流動性および断片的BECの存在をどのように示すか？
• RQ5 $^7$Li-$^7$Liの散乱長は、捕らえられた混合系における観測されたBECのサイズと形状から特定できるか？

主な発見

• $R_{7/6}^{\rm ini} = 0.12$ の条件下で、$3 \times 10^4$ 個の$^6$Liおよび$5 \times 10^5$ 個の$^7$Li原子を含む超流動的混合系が、両種のスピン状態で二重モード運動量分布により成功裏に生成された。
• $^7$Liの$m_F = -1$状態に断片的BECが観測され、軸方向サイズ$w_{\rm BEC} = 6.1(3)$ $\mu$mであった。これは、$^7$Li-$^7$Li相互作用が引力的であることを示唆している。
• 832.18 Gにおける$^7$Li-$^7$Liの散乱長は$a_{\rm bb}^{-1} = -3.2(3)a_0$ と決定され、負の散乱長および準位振動子長さのBECと整合的であった。
• 共役冷却は$^7$Liの冷却に不可欠であり、$^6$Liを用いない冷却では位相空間密度の上昇が確認されなかった。これはフェルミ粒子を介した冷却の有効性を確認するものであった。
• $R_{7/6}^{\rm ini} > 0.02$ の条件下で、有限のペア相関関数が観測され、混合系における超流動性の直接的証拠が得られた。
• 観測された断片的BECは、クエンチ的冷却プロセス中にキップル＝ツレックソリトンの自発的形成に起因するとされる。