[論文レビュー] Loss of ultracold RbCs molecules via optical excitation of long-lived two-body collision complexes

Philip D. Gregory, Jacob A. Blackmore+2 more|arXiv (Cornell University)|Feb 7, 2020

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates被引用数 20

ひとこと要約

この論文は、光学トラップ内の超低温 87Rb133Cs 分子における主要な損失機構として、長寿命の2体衝突複合体の光励起を特定している。著者らは、分子が75%の時間、光を浴びない状態に保たれるよう正方形波形の強度変調を用いることで、暗黒状態における複合体の寿命を 0.53 ± 0.06 ms と測定し、1550 nm における強度正規化励起率が 3⁺⁴₋₂ × 10³ W⁻¹cm²s⁻¹ であることを特定した。これは、通常のトラップ条件下で光誘起損失が支配的であることを確認している。

ABSTRACT

We show that the lifetime of ultracold ground-state $^{87}$Rb$^{133}$Cs molecules in an optical trap is limited by fast optical excitation of long-lived two-body collision complexes. We partially suppress this loss mechanism by applying square-wave modulation to the trap intensity, such that the molecules spend 75% of each modulation cycle in the dark. By varying the modulation frequency, we show that the lifetime of the collision complex is $0.53\pm0.06$ ms in the dark. We find that the rate of optical excitation of the collision complex is $3^{+4}_{-2} imes10^{3}$ W$^{-1}$ cm$^2$ s$^{-1}$ for $λ= 1550$ nm, leading to a lifetime of <100 ns for typical trap intensities. These results explain the two-body loss observed in experiments on nonreactive bialkali molecules.

研究の動機と目的

• 超低温 87Rb133Cs 分子が光学格子に捕獲された際の主要な損失機構を特定すること。
• 長寿命の衝突複合体がトラップ光によって光励起されることで破壊されることを仮説として検証すること。
• 暗黒状態における衝突複合体の寿命を測定し、光学励起率を定量すること。
• 光学トラップの強度を変調することで二体損失を抑制できることを示すこと。
• 光励起による複合体の励起が、非反応性二アルカリ分子系において損失を支配することを理論的予測と照合すること。

提案手法

• 分子がサイクルの75%を暗黒状態に保つように、光学トラップの強度を正方形波形で変調することで、衝突複合体の光励起を抑制する。
• 変調周波数を変化させることで、分子損失の減衰率を測定し、暗黒状態における衝突複合体の寿命を算出する。
• 変調中に連続波（CW）光を有効・無効に切り替えて、損失率の強度依存性を測定する。
• 強度依存性データにフィットさせることで、式 N_mod+CW / N_mod = 1 + k_l * I * τ_c を用いて、強度正規化励起率 k_l を得る。
• 状態密度および電子構造に基づく理論予測と測定された複合体寿命および励起率を比較することで、理論モデルのベンチマークを実施する。
• 本手法により、制御可能で実験的に容易にアクセス可能な方法で、複合体の寿命および励起ダイナミクスを調べることが可能になる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 非反応性であるにもかかわらず、光学トラップ内の超低温 87Rb133Cs 分子の主要な損失機構は何か？
• RQ2 衝突複合体の暗黒状態における寿命はどのくらいで、トラップ強度に依存するか？
• RQ3 1550 nm における衝突複合体の強度正規化励起率は何か？
• RQ4 トラップ強度を変調して暗黒期間を設けることで、損失率を抑制できるか？
• RQ5 測定された励起率は、非反応性分子系において光誘起プロセスが三体衝突よりも支配的であることを裏付けているか？

主な発見

• 87Rb133Cs 衝突複合体の暗黒状態における寿命は、0.53 ± 0.06 ms と測定された。
• 1550 nm における強度正規化光学励起率は 3⁺⁴₋₂ × 10³ W⁻¹cm²s⁻¹ であった。
• 通常の光学トラップ強度では、励起率が非常に高く、飽和状態に達し、光励起寿命が 100 ns 未満になる。
• 観測された損失は、非反応性二アルカリ分子系において、複合体の光励起が三体衝突プロセスを上回ることが理論的に予測されていることに整合している。
• 強度変調により、複合体が暗黒期間中に自由に崩壊できるようになるため、損失が抑制されることを確認した。
• 本研究の結果は、Christianen ら（2019b）が提唱したメカニズムを裏付け、超低温分子衝突の理論的モデルのベンチマークを提供した。