[論文レビュー] First observation of feshbach resonances at very low magnetic field in a 133Cs fountain

H. Marion, S. Bize+10 more|ArXiv.org|Jul 13, 2004

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、極めて低い磁場（5 ± 1 mG、対応する温度は約500 ± 100 nK）において、133Cs原子フォトンでFeshbach共鳴の初観測を報告している。これは断熱遷移を用いて制御された原子状態を準備することで達成された。研究では、衝突に起因する周波数シフトがβγチャネルに支配されており、磁場および衝突パラメータの精密な制約が得られ、一次周波数標準における10⁻¹⁶未満の不確かさが可能になった。

ABSTRACT

One of the main limitations of cesium atomic fountains has been the cold collision frequency shift. By using a method based on a transfer of population by adiabatic passage allowing to prepare cold atomic samples with a well defined ratio of atomic density as well as atom number the collisional shift is controlled at the 10E-3 of its value. A calibration of Zeeman sub-states contribution to the clock shift as a function of the field has been performed. Feshbach resonances have been observed for the first time at very low magnetic field and with a very good resolution. A Monte Carlo simulation has been performed and could fit properly some of experimental data. This constrains some parameters of the theory of collisions.

研究の動機と目的

• 一次周波数標準における主要な不確実要因である冷却衝突シフトを制御および測定すること。
• 従来の133Csフォトンでは未到達であった極めて低い磁場でFeshbach共鳴を観測すること。
• 密度および原子数が明確に定義された原子状態を断熱遷移で準備し、精密な衝突測定を可能とすること。
• 実験データとモンテカルロシミュレーションを用いて、133Csにおける冷却衝突の理論的パラメータを制約すること。
• 磁場調整によって衝突シフトを抑制することで、原子時計における10⁻¹⁶未満の不確かさを達成すること。

提案手法

• 断熱遷移（AP）を用いて、密度および原子数が制御された冷却原子状態を準備し、ショットノイズを低減させ、衝突シフトの精密測定を可能とした。
• パリ天文台の二重原子フォトンを用い、横方向ビームのコリメーションを向上させた2次元光学モラスを導入し、荷電率を約10倍に向上させた。
• サファイア冷媒発振器（SCO）が、1秒あたり5×10⁻¹⁶未満の位相ノイズを実現する超高安定なマイクロ波信号を供給し、周波数安定性を向上させた。
• 衝突シフトを分離するために、原子数が高（Nₐₜ）および低（Nₐₜ/2）の状態を交互に切り替える差分測定を実施した。
• モンテカルロシミュレーションにより、速度および密度分布をモデル化し、観測された共鳴形状に適合させて、B₀、Δμ、Cₑ、およびΓᵢなどのパラメータを抽出した。
• Feshbach共鳴の理論的モデルには、エネルギー分布の効果および非弾性損失率（Γᵢ）を含み、分子束縛状態と連続状態のエネルギー差がゼロとなる条件で共鳴を定義した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 133Cs原子フォトンでFeshbach共鳴を観測できる最小の磁場はどれほどか？
• RQ2 セシウムフォトンにおける衝突シフトは、磁場および原子密度にどのように依存し、それを精密に制御できるか？
• RQ3 非弾性過程（Γᵢ）および速度分布が、観測された共鳴形状および位置に及ぼす影響はどの程度か？
• RQ4 |m_F|=3状態におけるFeshbach共鳴を支配するのはどのハイパーファインチャネル（αγまたはβγ）であり、これにより時計シフトの符号にどのような影響を与えるか？
• RQ5 線形および二次の磁場依存項を含めた場合、背景散乱長を信頼性高く抽出できるか？

主な発見

• 5 ± 1 mG（500 ± 100 nK）という極めて低い磁場で、133CsにおけるFeshbach共鳴の初観測に成功した。これは、このような共鳴で観測された中で最も低いエネルギーの分子束縛状態である。
• |m_F|=3状態の共鳴は、|4;0⟩および|3;3⟩状態を含むβγチャネルに支配されており、αγチャネルとは逆に時計シフトの符号が反転している。
• 背景散乱長は、小さな磁場変動に対して感度が低く、測定不確かさの範囲内で顕著な線形または二次の磁場依存性は検出されなかった。
• 有効な衝突エネルギー係数Cₑは約0.2×E_rec/k_recに制約され、これは共鳴幅が低Cₑにおいて主に原子の速度分布に依存していることを示している。
• 非弾性損失率Γᵢは≤0.2×E_recに制限されており、非弾性過程が観測された共鳴形状に与える影響は最小限であることが示された。
• 共鳴時の磁場B₀ = 5 ± 1 mGは、他のパラメータと強く相関しないように厳密に制約されており、衝突シフトの精密制御が可能である。