[論文レビュー] Cold CH radicals for laser cooling and trapping

Joseph Schnaubelt, Jamie Shaw+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 8, 2021

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates参考文献 54被引用数 4

ひとこと要約

本論文では、基底状態混合を考慮した振動・回転分岐比の計算を通じて、$X^{2}\Pi\leftarrow A^{2}\Delta$および$X^{2}\Pi\leftarrow B^{2}\Sigma^{-}$遷移を用いた光学サイクリングを可能にするため、超低温CHラジカルのレーザー冷却および捕獲を提案している。主なステップとして、著者らは効果的なバッファガス冷却を実証し、7(2) Kの並進温度および2(1) Kの回転温度を示す$5\times10^{10}$個のCH分子を1パルスあたり生成した。また、CH–He衝突断面積を2.4(8)$\times10^{-14}$ cm$^2$として測定し、将来的なレーザー冷却実験の基盤を確立した。

ABSTRACT

Ultracold CH radicals promise a fruitful testbed for probing quantum-state controllable organic chemistry. In this work, we calculate CH vibrational branching ratios (VBRs) and rotational branching ratios (RBRs) with ground state mixing. We subsequently use these values to inform optical cycling proposals and consider two possible radiative cooling schemes using the $X^{2}Π\leftarrow A^{2}Δ$ and $X^{2}Π\leftarrow B^{2}Σ^{-}$ transitions. As a first step towards laser cooled CH, we characterize the effective buffer gas cooling of this species and produce $\sim5 imes10^{10}$ CH molecules per pulse with a rotational temperature of 2(1) K and a translational temperature of 7(2) K. We also determine the CH-helium collisional cross section to be $2.4(8) imes10^{-14}$ cm$^{2}$. This value is crucial to correctly account for collisional broadening and accurately extract the in-cell CH density. These cold CH molecules mark an ideal starting point for future laser cooling and trapping experiments and tests of cold organic chemistry.

研究の動機と目的

• CHラジカルのレーザー冷却および捕獲を可能にする。これは、化学的に関連性があるが、複雑な振動・回転構造を示す実験的に挑戦的な二原子分子である。
• 光学サイクリングの可能性を評価するため、基底状態混合を含む振動分岐比（VBR）および回転分岐比（RBR）を計算する。
• レーザー冷却に向けた重要な第一歩として、CHラジカルの効果的なバッファガス冷却を実証する。
• 衝突によるスペクトル幅拡大を正確に補正し、セル内分子密度を抽出するため、CH–ヘリウム衝突断面積を測定する。
• 将来的な超低温有機化学および高精度測定実験に向け、温度および密度が明確に特徴付けられた冷たいCH供給源を確立する。

提案手法

• 基底状態混合効果を組み込んだ$X^{2}\Pi\leftarrow A^{2}\Delta$および$X^{2}\Pi\leftarrow B^{2}\Sigma^{-}$電子遷移の振動分岐比（VBR）および回転分岐比（RBR）を計算した。
• 3次元磁気光的トラップ（MOT）に適した、$X^{2}\Pi\leftarrow A^{2}\Delta$および$X^{2}\Pi\leftarrow B^{2}\Sigma^{-}$遷移に基づく2つの光学サイクリング方式を提案した。これらの方式は、既存の実験と同等の複雑さを持つ。
• 2.35(1) Kの低温で冷却されたセルを用いたバッファガス冷却により、冷たいCHラジカルビームを生成した。分子密度は吸収スペクトロスコピーで測定した。
• セル内の$v^{\prime\prime}=0, N^{\prime\prime}=1$状態における$J^{\prime\prime}=1/2^+$および$J^{\prime\prime}=3/2^+$状態間の$\Lambda$-二重項分裂を測定することで、回転温度を決定した。
• セル内密度測定における衝突による幅拡大を補正するため、CH–ヘリウム衝突断面積を$2.4(8)\times10^{-14}$ cm$^2$として決定した。
• 上昇したセル温度（50(5) K）での回転温度測定を妥当性確認として実施し、高エネルギー$J^{\prime\prime}$状態への人口が25%に達した。これは42(5) Kの回転温度と整合的である。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 $X^{2}\Pi\leftarrow A^{2}\Delta$および$X^{2}\Pi\leftarrow B^{2}\Sigma^{-}$遷移が、高い回転分岐比にもかかわらず、CHラジカルのレーザー冷却に適した効率的な光学サイクリングを可能にするか。
• RQ2 CHの振動・回転構造における基底状態混合の程度はどの程度で、放射冷却の可能性にどのように影響するか。
• RQ3 バッファガス冷却は、その後のレーザー冷却および捕獲に適した冷たく、密度の高いCHラジカルをどの程度まで生成できるか。
• RQ4 CH–ヘリウム衝突断面積は何か。また、これにより衝突による幅拡大およびセル内密度補正にどのように影響するか。
• RQ5 低温バッファガス源における冷たいCHラジカルの回転温度および並進温度は、正確に測定および制御可能か。

主な発見

• 著者らは、CHラジカルの効果的なバッファガス冷却に成功し、ピーク分子密度が$3.5\times10^9$ cm$^{-3}$に達し、1パルスあたり$5\times10^{10}$個の分子を生成した。
• 冷たいCHビームの並進温度は7(2) K、回転温度は2(1) Kであり、2.35(1) Kのセル温度と良好に一致した。
• CH–ヘリウム衝突断面積は$2.4(8)\times10^{-14}$ cm$^2$と決定され、衝突による幅拡大のモデル化および正確なセル内密度抽出に不可欠なパrameterとなった。
• 回転温度測定により、$J^{\prime\prime}=1/2^+$状態の低温状態が確認された。50(5) Kのセル温度下で$J^{\prime\prime}=3/2^+$状態への人口が25%に達し、これは42(5) Kの回転温度と一致した。
• 計算された振動および回転分岐比は、$X^{2}\Pi\leftarrow A^{2}\Delta$および$X^{2}\Pi\leftarrow B^{2}\Sigma^{-}$遷移を用いた光学サイクリングの可能性を支持しており、将来的なレーザー冷却および捕獲に向けた基盤を提供した。
• セル内での分子寿命が約1 msであることが測定され、冷たい有機化学反応のプローブに潜在的な応用が可能である。イオン分光法および超低温分子系における高精度測定への影響も示唆された。