[論文レビュー] Large spin relaxation rates in trapped submerged-shell atoms

Colin B. Connolly, Yat Shan Au+3 more|Digital Access to Scholarship at Harvard (DASH) (Harvard University)|Sep 1, 2009

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates参考文献 1被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、埋蔵殻を持つランタニドであるイテルビウムと铥の捕獲原子において、大規模なスピン緩和率を測定した。それぞれの温度約500 mKにおける反応率定数は、$3.0\times10^{-10}$ cm³/sおよび$1.1\times10^{-10}$ cm³/sであった。これらの値は、$S$状態原子のそれらと比較して2〜3桁大きいことから、スピン交換や双極子効果ではなく、電気的非等方性が急速なスピン緩和を引き起こしていることが示唆される。このため、これらの系では磁気トラップ内での蒸発冷却が極めて非効率であることが判明した。

ABSTRACT

Spin relaxation due to atom-atom collisions is measured for magnetically trapped erbium and thulium atoms at a temperature near 500 mK. The rate constants for Er-Er and Tm-Tm collisions are 3.0 times 10^-10 cm^3 s^-1 and 1.1 times 10^-10 cm^3 s^-1, respectively, 2-3 orders of magnitude larger than those observed for highly magnetic S-state atoms. This is strong evidence for an additional, dominant, spin relaxation mechanism, electrostatic anisotropy, in collisions between these "submerged-shell" L > 0 atoms. These large spin relaxation rates imply that evaporative cooling of these atoms in a magnetic trap will be highly inefficient.

研究の動機と目的

• 磁気的に捕獲されたイテルビウムおよび铥原子の二体衝突におけるスピン緩和率を測定すること。これらは埋蔵殻を持つ$L\neq0$ランタニドである。
• 希土類元素とヘリウムの衝突で観察された電気的非等方性の遮蔽効果が、希土類元素同士の衝突においてもスピン緩和を抑制するかどうかを調査すること。
• これらの重い、高磁気的特性を示す原子に対して、磁気トラップ内での蒸発冷却が実現可能かどうかを特定すること。
• 埋蔵殻の性質が原子-原子系において非弾性衝突を抑制するかどうかという未解決の問題を解明すること。これは、原子-ヘリウム系ではそのように機能することが知られているが、原子-原子系では未知である。

提案手法

• 約500 mKの$^4$Heバッファガス中におけるイテルビウムおよび铥金属箔のレーザー焼鈍により、磁気的に捕獲された原子クラウドが生成される。
• 超伝導反ヘルムホルツコイルから生じる磁気四極子場により、最大3.7 Tのトラップ深さが得られ、スピン依存ポテンシャルによって原子が閉じ込められる。
• $J=6\to7$, $J=6\to5$（イテルビウム）、$J=7/2\to5/2$（铥）遷移に対するレーザー吸収分光法を用いて、$m_J$準位の分布がモニタリングされる。
• セル温度と初期ヘリウム充填量を制御することで、バッファガス密度を調整し、ヘリウム衝突による損失が顕著でない冷却条件を維持する。
• 時間経過に伴う$m_J = J$状態の人口減少から、熱励起および選択則補正を施した上でスピン緩和率が抽出される。
• 初期$ m_J $分布と選択則を変化させた非弾性崩壊のシミュレーションを用いて、観測された損失率$g_{in}$から真のスピン緩和率$g_{sr}$を推定する。

Figure 1: (color online) Diagram of the buffer-gas trapping apparatus. A cryogenic valve separates the trapping region of the experimental cell from an additional pumping region and can be used to regulate the buffer-gas density.

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 埋蔵殻を持つランタニド原子、例えばイテルビウムや铥は、原子-ヘリウム衝突と同様に、原子-原子衝突においてもスピン緩和が抑制されるのか？
• RQ2 $S$状態対称性が欠如する状況下で、$L\neq0$希土類元素同士の衝突におけるスピン緩和の主因は何か？
• RQ3 埋蔵殻の性質があるにもかかわらず、イテルビウム-イテルビウムおよび铥-铥衝突において、電気的非等方性がどの程度スピン緩和を駆動しているのか？
• RQ4 観測されたスピン緩和率を踏まえると、これらの原子に対して磁気トラップ内での蒸発冷却は効果的であるのか？
• RQ5 測定されたスピン緩和率は、理論的予測や弾性衝突の上限と比較してどの程度の関係にあるのか？

主な発見

• イテルビウム-イテルビウム衝突におけるスピン緩和率定数は約500 mKで$3.0\times10^{-10}$ cm³/s、铥-铥衝突では$1.1\times10^{-10}$ cm³/sであった。
• これらの値は、$S$状態原子で観測された値と比較して2〜3桁大きいことから、スピン交換や双極子結合を超える主要な緩和機構が存在することが示唆される。
• $g_{sr}/g_{in}$の比は$2.0^{+1.0}_{-0.5}$と推定され、観測された損失率が真のスピン緩和率を低く見積もっている可能性を示している。
• 最大の弾性衝突率$g_{el}$は$8\times10^{-10}$ cm³/sと推定され、$g_{el}/g_{sr} \lesssim 10$であると示唆される。これは、蒸発冷却の効率が著しく制限されることを意味する。
• 結果から、イテルビウム-イテルビウムおよび铥-铥衝突においても、電気的非等方性が抑制されないことが判明した。これは、イテルビウム-ヘリウムや铥-ヘリウム系とは異なり、埋蔵殻の性質があるにもかかわらずである。
• これは、埋蔵殻の効果が原子-原子衝突において非弾性過程を普遍的に抑制するわけではないことを示しており、磁気トラップ内での蒸発冷却に適していると仮定する考え方が覆されることを示唆している。

Figure 2: (color online) (a) Absorption spectrum of Er on the $400.9$ nm ( $J=6\rightarrow 7$ ) transition in a $0.99$ T ( $4.6$ K) deep magnetic trap at 530 mK with peak density of $4.6\times 10^{10}$ cm -3 . The $\Delta m_{J}=+1$ magnetically broadened peaks of the dominant isotopes are labeled. T