[論文レビュー] Microwave shielding of bosonic NaRb molecules

Junyu Lin, Guanghua Chen+8 more|arXiv (Cornell University)|Apr 17, 2023

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates参考文献 68被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、青方補正、円偏光性マイクロ波場を用いて、超低温ボソン的 23Na87Rb 分子の二体崩壊損失を二桁低減するマイクロ波遮断を示した。非弾性損失率係数は $3 \times 10^{-12}~\mathrm{cm^3/s}$ にまで低下し、弾性衝突が強化され、効率的な蒸発冷却が可能となり、位相空間密度が10倍に向上した。これにより、超低温極性分子のボーズ＝アインシュタイン凝縮への道が開かれた。

ABSTRACT

Recent years have witnessed tremendous progresses in creating and manipulating ground-state ultracold polar molecules. However, the two-body loss regardless of the chemical reactivities is still a hurdle for many future explorations. Here, we investigate the loss suppression of non-reactive bosonic $^{23}$Na$^{87}$Rb molecules with a circular polarized microwave blue-detuned to the rotational transition. We achieve suppression of the loss by two orders of magnitude with the lowest two-body loss rate coefficient reduced to $3 imes10^{-12}~ m{cm^3/s}$. Meanwhile, the elastic collision rate coefficient is increased to the $10^{-8}~ m{cm^3/s}$ level. The large good-to-bad collision ratio has allowed us to carry out evaporative cooling of $^{23}$Na$^{87}$Rb with an efficiency of 1.7(2), increasing the phase-space density by a factor of 10. With further improvements, this technique holds great promises for creating a Bose-Einstein condensate of ultracold polar molecules.

研究の動機と目的

• 反応性のないボソン的 23Na87Rb 分子において、急速な二体損失を抑制し、量子退磁状態の形成を可能にする。
• 青方補正、円偏光性マイクロ波場を用いて、短距離領域での $\mathrm{Na_2Rb_2}$ 複合体形成を防ぐ長距離ポテンシャル障壁を生成するマイクロ波遮断を実装する。
• 弾性衝突率を向上させ、効率的な蒸発冷却と位相空間密度の増加を可能にする。
• 損失抑制技術を用いて、超低温極性分子のボーズ＝アインシュタイン凝縮を達成するための実用的道筋を示す。

提案手法

• 23Na87Rb 分子の $J=0 \leftrightarrow J=1$ 回転遷移より下方に補正された円偏光性マイクロ波場を適用し、有効な電気双極子モーメントを持つ装備状態を誘発する。
• 青方補正マイクロ波場を用いて、短距離領域への接近を防ぐ長距離の反発的ポテンシャル障壁を生成し、$\mathrm{Na_2Rb_2}$ 複合体の形成を抑制する。
• 346 G の磁場を伴う二重井戸型光学ダイポールトラップを用いて分子を捕らえ、制御されたマイクロ波結合を可能にする。
• 再熱化ダイナミクスのクロス次元的測定により、再熱化に伴う衝突回数 $N_{\mathrm{col}}$ から弾性衝突率係数 $\beta_{\mathrm{el}}$ を抽出する。
• 多チャンネル量子欠陥理論と $S$-行列形式を用いた散乱断面積の数値計算により、非弾性および弾性過程をモデル化する。
• Enskog方程式の直接数値積分とDSMCシミュレーションを併用して衝突ダイナミクスを検証し、$N_{\mathrm{col}}$ および $\beta_{\mathrm{el}}$ を決定する。

Figure 1: Microwave shielding of 23 Na 87 Rb molecules. (a) Sketch of the experiment setup and the related energy levels. The optical dipole trap is formed by crossing two elliptical shape 1064 nm laser beams. A 346 G magnetic field in the vertical direction always presents. The blue-detuned and cir

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 青方補正、円偏光性マイクロ波場によるマイクロ波遮断は、超低温ボソン的 23Na87Rb 分子における二体非弾性損失を効果的に抑制できるか？
• RQ2 マイクロ波遮断下で、弾性衝突率は非弾性損失率に対してどの程度向上するか？
• RQ3 得られた良い衝突と悪い衝突の比は、捕らえられた分子系における効率的な蒸発冷却に十分か？
• RQ4 マイクロ波遮断によって非弾性損失率係数 $\beta_{\mathrm{in}}$ はどの程度定量的に低減されたか？
• RQ5 マイクロ波遮断下で、蒸発冷却を用いて超低温 23Na87Rb 分子の位相空間密度を向上させられるか？

主な発見

• 二体非弾性損失率係数 $\beta_{\mathrm{in}}$ は $3.0(3) \times 10^{-12}~\mathrm{cm^3/s}$ にまで低減され、遮断なしの状態と比較して二桁低減された。
• 弾性衝突率係数 $\beta_{\mathrm{el}}$ は $10^{-8}~\mathrm{cm^3/s}$ のオーダーで測定され、蒸発冷却に有利な高い良い衝突／悪い衝突比を示した。
• 蒸発冷却は1.7(2)の効率で成功裏に実施され、位相空間密度が10倍に向上した。
• 再熱化に伴う衝突回数 $N_{\mathrm{col}}$ は、大きな補正幅でも10以上であったため、正確な率係数抽出に十分な衝突的熱化が確認された。
• DSMCシミュレーションは数値計算を確認し、直接積分結果と一致する傾向を示した。DSMCでは直接積分より約15%低い $N_{\mathrm{col}}$ を示し、理論モデルの妥当性を裏付けた。
• 有効電気双極子モーメント $d_{\mathrm{eff}}$ は補正幅 $\Delta$ の増加に伴い減少し、$N_{\mathrm{col}}$ の低下を引き起こしたが、冷却に十分な衝突活性が維持された。

Figure 2: Loss suppression. (a) The decay of 23 Na 87 Rb number $N$ without (red squares) and with (blue circles) the microwave field. For the latter case, the detuning $\Delta$ is $2\pi\times 8~{}\rm{MHz}$ . The solid curves are for eye guiding. Error bars represent standard deviation of typically