[論文レビュー] Controlling a diatomic shape resonance with non-resonant light

Ruzin Ağanoğlu, Mikhail Lemeshko+3 more|arXiv (Cornell University)|May 4, 2011

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates参考文献 4被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、非共鳴レーザー光を用いて二原子分子の形状共鳴状態のエネルギーをトラップ温度にシフトさせることで、短距離原子対の熱的励起状態を増加させることを提案する。原子対の異方的感受率を活用することで、対密度を最大100倍まで向上させることができ、87Rbでは100 μKで10倍、88Srでは20 μKで100倍の増加を達成する。これにより、動的または静的制御方式を用いたより効率的な光会合反応が可能になる。

ABSTRACT

A (diatomic) shape resonance is a metastable state of a pair of colliding atoms quasi-bound by the centrifugal barrier imposed by the angular momentum involved in the collision. The temporary trapping of the atoms' scattering wavefunction corresponds to an enhanced atom pair density at low interatomic separations. This leads to larger overlap of the wavefunctions involved in a molecule formation process such as photoassociation, rendering the process more efficient. However, for an ensemble of atoms, the atom pair density will only be enhanced if the energy of the resonance comes close to the temperature of the atomic ensemble. Herein we explore the possibility of controlling the energy of a shape resonance by shifting it toward the temperature of atoms confined in a trap. The shifts are imparted by the interaction of non-resonant light with the anisotropic polarizability of the atom pair, which affects both the centrifugal barrier and the pair's rotational and vibrational levels. We find that at laser intensities of up to $5 imes 10^{9}$ W/cm$^2$ the pair density is increased by one order of magnitude for $^{87}$Rb atoms at $100 μ$K and by two orders of magnitude for $^{88}$Sr atoms at $20 μ$K.

研究の動機と目的

• 超低温原子系における短距離原子対の熱的励起状態を増加させることで、光会合の効率を向上させること。
• 通常のトラップ温度では顕著に励起されないため、超低温系における形状共鳴状態のエネルギーが高すぎるという制限を克服すること。
• 共鳴光や特定の原子準位構造に依存せずに、形状共鳴状態のエネルギー的位置を能動的に制御する手法を開発すること。
• 非共鳴レーザー場を用いて形状共鳴状態を調整可能にすることで、二体反応のコherent制御を可能とすること。
• ピコ秒パルスまたは定常場を用いた実験的設定において、動的および静的制御方式を実装する方法を検討すること。

提案手法

• 非共鳴光と二原子分子対の異方的感受率の相互作用をモデル化し、遠心障壁のシフトと振動・回転準位の変化を記述する。
• 非共鳴レーザー場の存在下での形状共鳴を記述する1次元有効ポテンシャルモデルを用い、場を摂動として扱い、有効ポテンシャル障壁を修正する。
• 修正されたポテンシャル下で系が熱平衡に達すると仮定し、レーザー強度および場周波数の関数として熱平均対密度を計算する。
• 動的および静的制御方式を検討する：動的方式では、長時間の非共鳴レーザーパルスが断熱的に共鳴エネルギーをシフトする。静的方式では、定常場を印加して新たな平衡分布を確立する。
• 短いプローブパルス（例：ピコ秒）を用いて、短距離での増加した対密度を検出する。このプローブは回転および移動運動の時間スケールに比べて速くなければならない。
• 強い場下で重複する共鳴状態（例：88SrにおけるJ=4とJ=8）の間で避けられたクロスイングを考慮し、1次元近似を超えた2次元の振動・回転運動の取り扱いが必要となる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 非共鳴光を用いて、二原子分子の形状共鳴エネルギーをトラップ温度にシフトさせ、短距離原子対の熱的励起状態を向上させることができるか？
• RQ2 非共鳴レーザー照射下で、二原子分子対の異方的感受率が形状共鳴のシフトをどのように媒介するか？
• RQ3 実験的に実現可能なレーザー強度において、異なる原子種（例：87Rbおよび88Sr）の熱平均対密度に達成可能な最大増幅はどの程度か？
• RQ4 長時間の非共鳴パルスによる共鳴の断熱的追従はどのような条件下で達成可能か？また、これにより動的制御の実現可能性にどのような影響を与えるか？
• RQ5 定常非共鳴場を用いて原子クラウドを事前に調整することで、その後の光会合に向けた対密度を最大化できるか？

主な発見

• 5×10⁹ W/cm²までの非共鳴レーザー強度では、100 μKの87Rb原子において、熱平均対密度が10倍に増加する。
• 20 μKの88Sr原子においても、同じレーザー強度で対密度が100倍に増加し、2桁の向上が達成される。
• 増幅は、レーザー誘起シフトがトラップ温度と一致する条件で最大となり、最適制御条件であることが示唆される。
• 87Rbでは、回転周期（約2 μs）が共鳴寿命（約100 ns）よりも長いため、長パルスによる断熱的追従は不可能であり、動的制御の効率が制限される。
• 88Srでは、短い回転周期（約350 ns）と長い寿命（約500 ns）のため、断熱的制御がより実現可能であり、動的増幅の可能性が示唆される。
• 複数の重複共鳴状態（例：88SrにおけるJ=4とJ=8）を有する系では、強いレーザー場が避けられたクロスイングを誘発し、一部の狭い共鳴の性質が広い共鳴に移行して、寿命と対密度への寄与が増加する。