[論文レビュー] Observation of Bose-Einstein Condensation of Dipolar Molecules

Niccolò Bigagli, Weijun Yuan+5 more|arXiv (Cornell University)|Dec 18, 2023

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates参考文献 58被引用数 6

ひとこと要約

本論文は、2体および3体損失を抑える強化されたマイクロ波衝突遮断を用いて、初めてジポール性を有するナトリウムセシウム（NaCs）分子のボーズアインシュタイン凝縮（BEC）の観測を報告した。BECは6(2) nKで蒸発冷却により形成され、凝縮分率は60(10)%であった。位相空間密度は1を超えており、寿命は約2秒に達し、強いジポール性を示す量子物質の領域へのアクセスが可能になった。

ABSTRACT

Ensembles of particles governed by quantum mechanical laws exhibit fascinating emergent behavior. Atomic quantum gases, liquid helium, and electrons in quantum materials all show distinct properties due to their composition and interactions. Quantum degenerate samples of bosonic dipolar molecules promise the realization of novel phases of matter with tunable dipolar interactions and new avenues for quantum simulation and quantum computation. However, rapid losses, even when reduced through collisional shielding techniques, have so far prevented cooling to a Bose-Einstein condensate (BEC). In this work, we report on the realization of a BEC of dipolar molecules. By strongly suppressing two- and three-body losses via enhanced collisional shielding, we evaporatively cool sodium-cesium (NaCs) molecules to quantum degeneracy. The BEC reveals itself via a bimodal distribution and a phase-space-density exceeding one. BECs with a condensate fraction of 60(10) % and a temperature of 6(2) nK are created and found to be stable with a lifetime close to 2 seconds. This work opens the door to the exploration of dipolar quantum matter in regimes that have been inaccessible so far, promising the creation of exotic dipolar droplets, self-organized crystal phases, and dipolar spin liquids in optical lattices.

研究の動機と目的

• 長年にわたる努力にもかかわらず、急速な損失が原因で実現が阻害されてきた、ボソン的ジポール性分子における量子縮退の達成。
• 特に化学的に安定であるが、依然として非弾性衝突に起因する損失を受けるNaCs分子における、3体および2体損失の課題の克服。
• 強化されたマイクロ波衝突遮断が、蒸発冷却によるBEC形成に十分な損失抑制を可能にすることの実証。
• 量子シミュレーションや特異な量子相の探索のための安定的で長寿命なジポール性BECを確立すること。

提案手法

• NaCs分子の回転準位|J,mJ⟩ = |0,0⟩, |1,0⟩, および |1,1⟩を、円偏光（σ⁺）および線形偏光（π）の両方のマイクロ波場を用いて、共鳴的に結合する二重マイクロ波ドレッシング方式を採用。
• πおよびσ⁺場が垂直方向に誘導する電気双極子モーメントが相殺されるように、遮断されたドレッシング状態を設計し、ジポール相互作用を抑制し、損失チャネルを低減。
• トラップ深さを徐々に低下させることで、光学ダイポールトラップ内で蒸発冷却を実施し、最も高温の分子を除去することで、量子縮退への冷却を実現。
• 時間飛行拡張イメージングを用い、二重モードの運動量分布と位相空間密度が1を超えることからBECの形成を同定。
• 1体および2体損失率を含むキネティックモデルで損失ダイナミクスをフィッティングし、凝縮体の寿命および損失係数を抽出。
• BECの温度、凝縮分率、ピーク密度を測定することで、量子縮退および安定性の確認を実施。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 強い非弾性衝突損失が存在するにもかかわらず、ジポール性分子のボーズアインシュタイン凝縮を実現できるか？
• RQ2 強化されたマイクロ波衝突遮断は、超低温NaCs分子における2体および3体損失をどの程度抑制できるか？
• RQ3 強化遮断下で達成可能なBECの温度、凝縮分率、および寿命は何か？
• RQ4 ジポール相互作用は、BECの拡張ダイナミクスおよび安定性にどのように影響するか？
• RQ5 この系は、強い相関性を示すジポール性相の量子シミュレーションのための安定的プラットフォームとして機能できるか？

主な発見

• ジポール性NaCs分子のボーズアインシュタイン凝縮が、時間飛行画像における二重モードの運動量分布により明確に確認された。
• BECは6(2) nKの温度に達し、凝縮分率は60(10)%を示し、高い量子縮退状態を示した。
• 位相空間密度が1を超えており、超低温ガスにおける量子縮退の主要な指標となった。
• 浅い光学ダイポールトラップ内での1/e寿命が1.8秒に達し、極めて優れた安定性を示した。
• 2体損失率はβ₂B = 3(1)×10⁻¹³ cm³/sと測定され、遮断なしの状態と比較して4桁低い値であった。
• ピーク密度は2.0(5)×10¹² cm⁻³に達し、ドロップレットやスーパーソリッドなどのジポール性量子相が出現しうる領域へのアクセスが可能になった。