[論文レビュー] Magneto-Optical Trapping and Sub-Doppler Cooling of a Polyatomic Molecule

Nathaniel B. Vilas, Christian Hallas+5 more|arXiv (Cornell University)|Dec 15, 2021

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates被引用数 10

ひとこと要約

本論文は、カルシウムモノヒドロキシド（CaOH）という多原子分子の最初の磁気光トラップ（MOT）およびサブドップラー励起状態のレーザー冷却を実証した。ピーク密度は $3.0(8)\times10^6$ cm$^{-3}$、温度は 110(4) $\mu$K を達成した。この研究では、複数の振動状態を横断する効率的な光子サイクリングを実現することで、レーザー減速、トラップ、冷却を可能にした。これにより、CaOHは量子シミュレーションや光学トゥイーザー・アレイの応用に適した候補として位置づけられた。

ABSTRACT

We report magneto-optical trapping (MOT) of a polyatomic molecule, calcium monohydroxide (CaOH). The MOT contains $2.0(5) imes 10^4$ CaOH molecules at a peak density of $3.0(8) imes10^{6}$ cm$^{-3}$. CaOH molecules are further sub-Doppler laser cooled in an optical molasses, to a temperature of 110(4) $μ$K. The temperatures and densities achieved here make CaOH a viable candidate for a wide variety of quantum science applications, including the creation of optical tweezer arrays of CaOH molecules. This work also suggests that laser cooling and magneto-optical trapping of many other polyatomic species will be both feasible and practical.

研究の動機と目的

• 超低温分子物理学における長年の課題である、多原子分子の磁気光トラップを実証すること。
• 複雑なロビブラショナル損失チャネルを管理することで、多原子種におけるサブドップラー励起状態のレーザー冷却を達成すること。
• CaOHにおける効率的な光子サイクリングにより、高精度な量子状態読み出しを実現すること。
• CaOHを光学トゥイーザー・アレイに効率的にロードする基盤を構築すること。
• 二原子分子にとどまらない、広範な構造的複雑性を示す多原子分子に対しても、レーザー冷却の可能性を検証すること。

提案手法

• 冷却バッファガスビーム（CBGB）を用いて、約2 Kの温度で前方速度が約140 m/sのCaOH分子ビームを生成した。
• 626 nmのサイクリング遷移（$\widetilde{X}\,^{2}\Sigma^{+} \leftarrow \widetilde{A}\,^{2}\Pi_{1/2}$）を用いて、レーザー減速およびMOT操作を実施した。
• 12,000光子にわたる多波長リポンジングスキームを実装し、サイクリング遷移を閉じ、励起状態の人口損失を最小限に抑えた。
• 81 cmにわたる距離で、反対方向の白色光減速レーザーを用いて、分子ビームをMOT領域まで減速した。
• 反対の$g$因子を示す2つの基底状態$J^{\prime\prime}$レベルに対して、逆方向の円偏光を用いた偏光配置を採用した。
• 青方偏移した光学モラスを用い、$J \rightarrow J-1$遷移を利用することで、偏光勾配力を利用したサブドップラー冷却を実現した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 多原子分子を、レーザー冷却技術を用いて磁気光トラップで捕らえることは可能か？
• RQ2 CaOHのような多原子分子のMOTにおいて、達成可能な温度と密度はどの程度か？
• RQ3 複数の振動状態を横断する効率的な光子サイクリングは、複雑な分子におけるレーザー冷却を維持するために可能か？
• RQ4 サブドップラー冷却は、多原子系においてドップラー限界を下回る温度までどれほど低下させられるか？
• RQ5 構造的に複雑な多原子分子に対しても、レーザー冷却とトラップを他の分子に拡張することは可能か？

主な発見

• CaOHの磁気光トラップが成功裏に実証され、ピーク密度 $3.0(8)\times10^6$ cm$^{-3}$ で $2.0(5)\times10^4$ 個の分子が捕らえられた。
• MOTは870(50) $\mu$Kの温度に達し、ピーク位相空間密度は $1.4(4)\times10^{-12​}$ を記録した。
• 青方偏移した光学モラスによるサブドップラー冷却により、温度がドップラー限界を下回る110(4) $\mu$Kまで低下した。
• 冷却プロセスの1/$e$時間定数は136(11) $\mu$s、散乱レートは $7.7(4)\times10^5$ s$^{-1}$ を示した。
• 光子サイクリング効率は約12,000光子/サイクルに達し、高精度な状態検出と制御が可能になった。
• 本結果により、CaOHが光学トゥイーザー・アレイへのロードおよび今後の量子シミュレーション実験に適した候補であることが確立された。