[論文レビュー] Narrow Line Photoassociation in an Optical Lattice

Tanya Zelevinsky, Martin M. Boyd+6 more|CERN Bulletin|Feb 20, 2006

Photonic and Optical DevicesEngineering被引用数 18

ひとこと要約

本研究では、1次元マジックウェーブレングス光格子に閉じ込められた超低温 88Sr 原子における狭線光結合分光法を実証し、1S₀–³P₁ 間接遷移に近接する9つの最も束縛の弱い振動準位を解明した。自然線幅が狭い（7.5 kHz）ことにより、長距離分子状態の高分解能プローブが可能となり、低損失の強い光学的フェシュバッハ共鳴ポテンシャルが得られ、蒸発冷却に向けた散乱長のチューニングが可能になった。

ABSTRACT

With ultracold $^{88}$Sr in a 1D magic wavelength optical lattice, we performed narrow line photoassociation spectroscopy near the $^1$S$_0 - ^3$P$_1$ intercombination transition. Nine least-bound vibrational molecular levels associated with the long-range $0_u$ and $1_u$ potential energy surfaces were measured and identified. A simple theoretical model accurately describes the level positions and treats the effects of the lattice confinement on the line shapes. The measured resonance strengths show that optical tuning of the ground state scattering length should be possible without significant atom loss.

研究の動機と目的

• 1次元光格子内に閉じ込められた 88Sr2 の最も束縛の弱い振動準位を、狭線光結合分光法を用いて 1S₀–³P₁ 間接遷移近傍で解明すること。
• 原子間相互作用の精密制御を可能とするために、1次元光格子内におけるこれらの分子状態の光学的応答および線幅形状を特徴付けること。
• 88Sr における基底状態散乱長のチューニングを可能とする光学的フェシュバッハ共鳴の可能性を評価すること。
• 2色光結合分光による冷たい基底状態 Sr2 分子の効率的生成可能性を評価すること。
• 蒸発冷却が制御された散乱長チューニングによって可能となる条件を特定すること。

提案手法

• 状態依存シフトを最小限に抑えるために、超低温 88Sr 原子を 1次元マジックウェーブレングス光格子に捕獲し、ドップラー幅拡大および反動効果を抑制した。
• 自然線幅が狭い（7.5 kHz）ことを利用し、689 nm のレーザーを 1S₀–³P₁ 間接遷移近傍に調諧して光結合分光を実行した。
• 観測された束縛状態エネルギーおよび線幅形状に一致させるために、0ᵤ および 1ᵤ 态間のコリオリス混合を含む結合チャネル計算を理論的モデルとして用いた。
• 線幅形状解析から光学的長さ（l_opt）を抽出し、有効散乱断面積および光学的フェシュバッハ共鳴強度の推定に用いた。
• 2色光結合分光による基底状態 Sr2 分子生成効率を評価するために、フランク＝コンドン因子を計算した。
• 測定された l_opt および周波数に依存する線強度を用いて、光学的フェシュバッハ共鳴強度および損失率の理論的式を適用した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 1次元光格子内に閉じ込められた 88Sr2 の 1S₀–³P₁ 間接遷移近傍における最も束縛の弱い振動準位を、狭線光結合分光法で解明できるか？
• RQ2 光結合分光共鳴の強度および線幅形状は、格子閉じ込めおよび温度にどのように依存するか？
• RQ3 測定された光結合分光共鳴は、低損失で基底状態散乱長の光学的フェシュバッハ共鳴チューニングを可能にするか？
• RQ4 2色光結合分光による冷たい基底状態 Sr2 分子生成効率はどの程度か？
• RQ5 弾性衝突率と非弾性衝突率の比が、88Sr における蒸発冷却を支えるのに十分な大きさか？

主な発見

• 1S₀–³P₁ 離解限界に近接する 0ᵤ および 1ᵤ ポテンシャルエネルギー曲線に沿って、88Sr2 ダイマーの9つの最も束縛の弱い振動準位が同定され、測定された。
• -0.4 MHz 共鳴における測定された光学的長さ（l_opt）は約 5×10⁵ a₀ cm²/W に達し、低損失で ±300 a₀ の光学的散乱長チューニングが可能であると予測された。
• -0.4 MHz 共鳴における損失率は約 2×10⁻¹⁴ cm³/s と推定され、類似の 87Rb 実験と比較して5桁以上も低い。
• -0.4 MHz 共鳴における弾性衝突率（Γ_el ~ 600/s）および非弾性衝突率（Γ_inel ~ 0.1/s）の比は約6000であり、蒸発冷却の可能性を示唆している。
• -222 MHz 準位に励起された分子の50%以上が、基底状態の最後の振動準位に崩壊するため、冷たい Sr2 分子の2色光結合分光による効率的生成が期待される。
• コリオリス混合を含む理論モデルは、観測された準位位置および線幅形状を正確に再現しており、格子内における長距離分子相互作用の取り扱いが妥当であることを裏付けた。