[論文レビュー] New opportunites for interactions and control with ultracold lanthanides

Matthew A. Norcia, Francesca Ferlaino|arXiv (Cornell University)|Aug 10, 2021

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates参考文献 116被引用数 5

ひとこと要約

このレビューでは、超低温ランタニド原子の特異なf電子配置が、強い異方的ダイポール相互作用と多様な光学遷移を介して制御を可能にし、ロトンモード、自己束縛量子ドロップレット、超固体といった新しい量子相へのアクセスを可能にしていることが強調されている。実験的に dysprosium および erbium で確認されており、相互作用の調整可能성이、密度調波とグローバル位相整合の共存を可能にしている。

ABSTRACT

Lanthanide atoms have an unusual electron configuration, with a partially filled shell of $f$ orbitals. This leads to a set of characteristic properties that enable enhanced control over ultracold atoms and their interactions: large numbers of optical transitions with widely varying wavelengths and transition strengths, anisotropic interaction properties between atoms and with light, and a large magnetic moment and spin space present in the ground state. These features in turn enable applications ranging from narrow-line laser cooling and spin manipulation to evaporative cooling through universal dipolar scattering, to the observation of a rotonic dispersion relation, self-bound liquid-like droplets stabilized by quantum fluctuations, and supersolid states. In this short review, we describe how the unusual level structure of lanthanide atoms leads to these key features, and provide a brief and necessarily partial overview of experimental progress in this rapidly developing field.

研究の動機と目的

• ランタニドの埋め込まれたf殻電子配置が、どのように特異な原子的性質および相互作用的性質を生じるかを説明すること。
• ランタニド原子に特有の大きな磁気モーメントと異方的相互作用がもたらす実験的および理論的機会を特定すること。
• 超低温ガスにおけるダイポール量子相、たとえばドロップレットや超固体の実現に関する最近の実験的進展をレビューすること。
• 光学遷移がレーザー冷却、スピン操作、および相互作用制御を可能にする役割を強調すること。
• ランタニドを、ユニバーサルなダイポール散乱や量子ドロップレット形成を含む、平均場を超えた量子多体現象を探索するプラットフォームとして位置づけること。

提案手法

• ランタニド（例：Dy, Er）の大きな基底状態磁気双極子モーメントを活用し、長距離作用で異方的であるダイポール相互作用を誘発すること。
• ランタニドの複雑な準位構造を活用し、近赤外から紫外域にわたる広いスペクトル範囲での複数の光学遷移を介してレーザー冷却と状態準備を実現すること。
• ブラッグ分光法およびインサイト像像法を用いて、ダイポールボーズ＝アインシュタイン凝縮体におけるロトン的分散関数および励起モードを調べること。
• キャビティ型やスキーottle型などのトラップ幾何形状を設計し、相互作用の異方性を調整し、超固体への相転移を観測すること。
• ダイポール相互作用および平均場を超えた効果を記述する理論的モデルを用いて、自己束縛ドロップレットおよび超固体の形成を予測・解釈すること。
• Feshbach共鳴を用いて接触相互作用を調整し、接触支配とダイポール支配の領域間のクロスオーバーにアクセスすることで、量子ドロップレットおよび超固体の観測を可能にすること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ランタニドのf電子配置は、どのように大きな磁気モーメントと異方的相互作用を生じるのか？
• RQ2 広帯域スペクトル範囲にわたる光学遷移は、超低温ランタニド原子の制御にどのように寄与するのか？
• RQ3 ダイポール相互作用は、どのように超低温量子ガスにおいてロトン的モードと自己束縛ドロップレットの出現を引き起こすのか？
• RQ4 超固体において、密度調波とグローバル位相整合の共存を確認する実験的兆候は何か？
• RQ5 量子揺らぎは、どのようにドロップレットを安定化させ、ダイポール系における超固体の形成を可能にするのか？

主な発見

• ランタニド原子は、最大で約10ボーア磁気ボーロンに達する大きな磁気双極子モーメントを示し、特定の領域では接触相互作用を上回る長距離作用で異方的であるダイポール相互作用を支配的に行わせる。
• ランタニドの複雑なエネルギー準位構造は、超狭帯域（数Hz）から広帯域（数MHz）まで広範な光学遷移を可能にし、多様なレーザー冷却と状態制御を実現する。
• ダイポールボーズ＝アインシュタイン凝縮体において、相互作用の調整により励起スペクトルにロトン最小値が現れ、ブラッグ分光法で観測された。この最小値の特徴的な長さスケールは、磁場の方向とトラップ幾何形状に依存する。
• 量子揺らぎによって安定化される自己束縛ドロップレットは、DyおよびErガスで実験的に観測された。ドロップレット形成は、ダイポール相互作用が支配的で、接触相互作用がほぼゼロに調整された状態で発生する。
• 1次元および2次元のトラップで超固体相が実現され、周期的密度調波とグローバル位相整合の両方が確認された。2つの異なる励起モードと低エネルギーのゴールドストーンモードの観測によって裏付けられた。
• ドロップレット間の位相ロックダイナミクスと散乱メカニズムが、超固体状態における長距離秩序の実現に寄与し、最近ではほぼ円形のトラップで2次元超固体が実証された。