[論文レビュー] Narrow-line photoassociation spectroscopy and mass-scaling of bosonic strontium

Benjamin J. Reschovsky, Brandon Ruzic+4 more|arXiv (Cornell University)|Aug 20, 2018

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、84Srおよび86Srの高精度な狭帯域光励起分光法を用いて、ボソン的ストロンチウム二原子分子の洗練された質量スケーリングモデルを提示する。新規の束縛状態が同定され、実験との一致が1 MHz以内に向上した。モデルは深さのあるポテンシャル井戸をよりよく再現するため、第二の1uチャネルを組み込み、84Srの0u+状態における光学的フェシュバッハ共鳴パラメータが、波動関数の節によって抑制されていることが測定された。

ABSTRACT

Using new experimental measurements of photoassociation resonances near the $^1\mathrm{S}_0 ightarrow \phantom{ }^3\mathrm{P}_1$ intercombination transition in $^{84}$Sr and $^{86}$Sr, we present an updated study into the mass-scaling behavior of bosonic strontium dimers. A previous mass-scaling model [Borkowski et al., Phys. Rev. A 90, 032713 (2014)] was able to incorporate a large number of photoassociation resonances for $^{88}$Sr, but at the time only a handful of resonances close to the dissociation limit were known for $^{84}$Sr and $^{86}$Sr. In this work, we perform a more thorough measurement of $^{84}$Sr and $^{86}$Sr bound states, identifying multiple new resonances at deeper binding energies out to $E/h=-5$ GHz. We also identify several previously measured resonances that cannot be experimentally reproduced and provide alternative binding energies instead. With this improved spectrum, we develop a mass-scaled model that reproduces the observed binding energies of $^{86}$Sr and $^{88}$Sr to within 1 MHz. In order to accurately reproduce the deeper bound states, our model includes a second $1_u$ channel and more faithfully reproduces the depth of the potential. As determined by the previous mass-scaling study, $^{84}$Sr $0_u^+$ levels are strongly perturbed by the avoided crossing between the $^1\mathrm{S}_0 + \phantom{ }^3\mathrm{P}_1$ $0_u^+$ $(^3Π_u)$ and $^1\mathrm{S}_0 + \phantom{ }^1\mathrm{D}_2$ $0_u^+$ $(^1Σ_u^+)$ potential curves and therefore are not included in this mass-scaled model, but are accurately reproduced using an isotope-specific model with slightly different quantum defect parameters. In addition, the optical lengths of the $^{84}$Sr $0_u^+,\ ν=-2$ to $ν=-5$ states are measured and compared to numerical estimates to characterize their use as optical Feshbach resonances.

研究の動機と目的

• ボソン的ストロンチウム二原子分子の理論的記述を改善し、84Srおよび86Srにおけるより深い束縛状態を含む質量スケーリングモデルを拡張すること。
• 以前に報告された光励起共鳴の不一致を解消するため、結合エネルギーを再測定・再評価すること。
• 光学的フェシュバッハ共鳴として使用するため、84Sr 0u+状態の光学的長さおよび幅パラメータを特徴付けること。
• 散乱波動関数の節構造が84Srにおける光学的フェシュバッハ共鳴強度をどのように抑制するかを理解すること。
• 設計された光学的フェシュバッハ共鳴を用いた、基底状態分子の生成およびスピン状態依存量子制御の今後の応用を可能にすること。

提案手法

• 超低温84Srおよび86Sr標本を用いて、1S0 → 3P1間接遷移付近の束縛分子状態をマッピングするための狭帯域光励起分光法を実施する。
• レーザー強度依存の損失スペクトルを、光学的フェシュバッハ共鳴パラメータを含むレート方程式モデルにフィットさせることで、結合エネルギーを抽出する。
• 以前の研究から得られたab initioポテンシャルを用いて質量スケーリングポテンシャルモデルを構築し、深く束縛された状態のエネルギーをよりよく再現するため、第二の1uチャネルを追加する。
• 理論的光学的長さ（ℓopt/I）を計算し、実験測定値と比較することで、モデルの妥当性を検証し、共鳴強度を評価する。
• コンドン点および古典的転送点付近の波動関数の節を分析し、84Srにおける光学的フェシュバッハ共鳴強度の抑制を説明する。
• 結合エネルギーおよび光学的長さ測定における系統的および統計的不確実性を厳密に評価し、誤差棒に含める。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 84Srおよび86Sr 0u+分子状態の結合エネルギーは、質量スケーリングモデルの予測とどのように比較されるか。また、より深い束縛状態を含めるためにモデルをどのように改善できるか。
• RQ2 84Srにおける光学的フェシュバッハ共鳴強度が86Srおよび88Srと比べて顕著に抑制される理由は何か。波動関数の節はその役割を果たすか。
• RQ3 84Srおよび86Srにおける以前に報告された光励起共鳴は、どの程度実験的に再現可能であり、修正された結合エネルギーは何か。
• RQ4 1 MHz以内に86Srおよび88Srの結合エネルギーを正確に再現できる単一の質量スケーリングモデルは可能か。どのような修正が必要か。
• RQ5 光励起線における残存幅（η）の起源は何か。運動的効果および系統的ノイズはどのように寄与するか。

主な発見

• 84Srおよび86Srにおいて7つの新規光励起共鳴が同定され、結合エネルギーは±10 kHzの精度で測定された。
• 第二の1uチャネルを組み込み、ポテンシャル深さを改善することで、質量スケーリングモデルは86Srおよび88Srの実験的結合エネルギーを1 MHz以内に再現した。
• 84Sr 0u+スペクトルは、1S0 + 1D2 0u+ポテンシャルとの避けられるクロスイングによって強く摂動を受けており、質量スケーリングからの逸脱を説明できる。
• 84Sr ν = -2 から -5 の光学的フェシュバッハ共鳴強度（ℓopt/I）は、波動関数の節によって抑制されており、ν = -4 は ν = -5 よりも小さい強度を示す。これは理論と整合的である。
• 残存幅（η）はレーザー強度に依存せず、系統的ノイズまたは運動的励起の寄与を示唆しているが、正確な起源はまだ不明である。
• 84Sr ν = -2 共鳴の光学的長さは510(61) a0/(W/cm²)として測定され、86Srおよび88Srで観察される約10⁴ a0/(W/cm²)と比べて顕著に低い。これはコンドン点が背景散乱長に近接しているためである。