[論文レビュー] Collisionally Stable Gas of Bosonic Dipolar Ground State Molecules

Niccolò Bigagli, Claire Warner+5 more|arXiv (Cornell University)|Mar 29, 2023

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates参考文献 61被引用数 7

ひとこと要約

本論文は、強い双極子モーメントを有するナトリウムカルシウム分子（NaCs）のボース粒子系において、マイクロ波シールドを用いて非弾性散乱損失を200倍以上抑制し、1.0(1) sの寿命を達成した。この技術により蒸発冷却が可能となり、位相空間密度が20倍に増加し、36(5) nKに達した。これにより、量子簡並状態に近づくことができ、双極子分子のボーズ＝アインシュタイン凝縮への道が開かれた。

ABSTRACT

Stable ultracold ensembles of dipolar molecules hold great promise for many-body quantum physics, but high inelastic loss rates have been a long-standing challenge. Recently, it was shown that gases of fermionic molecules can be effectively stabilized through external fields. However, many quantum applications will benefit from molecular ensembles with bosonic statistics. Here, we stabilize a bosonic gas of strongly dipolar NaCs molecules against inelastic losses via microwave shielding, decreasing losses by more than a factor of 200 and reaching lifetimes on the scale of 1 second. We also measure high elastic scattering rates, a result of strong dipolar interactions, and observe the anisotropic nature of dipolar collisions. Finally, we demonstrate evaporative cooling of a bosonic molecular gas to a temperature of 36(5) nK, increasing its phase-space density by a factor of 20. This work is a critical step towards the creation of a Bose-Einstein condensate of dipolar molecules.

研究の動機と目的

• ボース粒子の双極子分子系が、フェルミ粒子系よりも1〜2桁高い固有の非弾性衝突率を示すため、その安定化を図ること。
• 従来フェルミ粒子系で有効であったマイクロ波シールドを、p波の遠心障壁が存在しないため抑制がより困難なボース粒子系へ応用すること。
• 強い双極子相互作用を有するボース粒子分子系で蒸発冷却を実証し、量子簡並状態に至るための前提条件を満たすこと。
• マイクロ波ドレッシング下での強い双極子分子系における弾性散乱の異方性を測定・特徴づけること。
• 実験的熱化データにフィットさせるために、散乱行列に体系的s波寄与を加え、系の有効s波散乱長を決定すること。

提案手法

• マイクロ波シールドは、$\sigma^{+}$-偏光のマイクロ波場を用い、実験フレームで大きな有効双極子モーメントを有するドレッシング状態（$|+\rangle$）を生成することで、非弾性衝突を抑制する反発的障壁を形成する。
• 系は$|J,m_J\rangle = |0,0\rangle$状態に準備され、ブルー・デチューニングされた周波数$\Delta$のマイクロ波ドレッシングにより、最大1.3 Dの回転しない双極子モーメントが生成され、強い双極子相互作用が可能になる。
• 弾性散乱率は、異なる方向における擬似温度の熱化を測定することで評価され、衝突結合係数から導かれる熱化時間定数$k_{ij} = \frac{3}{2}\mathcal{C}_{ij}$が用いられる。
• 熱化に要する弾性衝突回数$N_{\mathrm{col}}^{ij} = \frac{\bar{n}\langle v_{\mathrm{th}}\sigma_{\mathrm{el}}\rangle}{k_{ij}}$を用いて熱化効率を定量化し、双極子相互作用による増幅が確認された。
• 実験データにフィットさせるために、散乱行列に体系的s波寄与を加え、最良のフィットが$a_s = 1200\, a_0$で得られた。
• 蒸発冷却は、最も高温の原子を選択的に除去することで実施され、位相空間密度が20倍に増加し、温度が36(5) nKに低下した。

Figure 1: Microwave shielding of NaCs molecules. a , Illustration of the trapped molecular gas. Molecular dipoles are set into rotation by the electric field of a $\sigma^{+}$ -polarized microwave field generated by an antenna array. Vertical beams for stimulated Raman adiabatic passage (STIRAP) all

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 p波遠心障壁が存在しないボース粒子系の双極子分子系において、マイクロ波シールドが非弾性損失を効果的に抑制できるか。
• RQ2 双極子相互作用が、マイクロ波ドレッシング下の分子系で弾性散乱および熱化率をどのように向上させるか。
• RQ3 双極子相互作用の異方性が、異なる空間方向における熱化ダイナミクスに及ぼす影響の程度は。
• RQ4 強い双極子相互作用を有するボース粒子分子系で蒸発冷却が達成可能か、量子簡並状態に近づけるか。
• RQ5 本系における有効s波散乱長は何か、理論的推定値と比較するとどうなるか。

主な発見

• 非弾性損失率が200倍以上抑制され、粒子間隔が約1 $\mu$mの高密度分子系の寿命が、16(2) msから1.0(1) sに延長された。
• 実験フレームにおける有効双極子モーメントは最大1.3 Dに達し、強い双極子相互作用が実現され、弾性散乱が増幅された。
• 弾性対非弾性衝突の比$\gamma = 4(1)\times10^3$が確認され、系が弾性過程が支配的である状態にあることが示された。
• 熱化に要する弾性衝突回数$N_{\mathrm{col}}$は双極子相互作用により増幅され、s波限界（2.5）からほぼ1桁高い値に達した。
• 蒸発冷却により位相空間密度が20倍に増加し、温度が36(5) nKに低下し、量子簡並状態に近づいた。
• 有効s波散乱長は$a_s = 1200\, a_0$と決定され、大周波数デチューニング領域での観測された熱化および散乱断面積データと最もよく一致した。

Figure 2: Lifetime and inelastic collisions of microwave-shielded NaCs molecules. a , Lifetime of molecular ensembles with (blue) and without (grey) shielding. The dashed lines indicate the respective $1/e$ lifetimes. Error bars show 1 $\sigma$ standard-error-of-the-mean from ten repetitions of the