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

Martin W. Zwierlein, Claudiu A. Stan+5 more|Cineca Institutional Research Information System (Tor Vergata University)|Nov 27, 2003

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、Feshbach共鳴付近におけるフェルミ性 6Li原子のスピン混合系において、三体再結合を介して形成された超低温 6Li2 分子におけるボーズ・アインシュタイン凝縮（BEC）の初回実験的観測を報告している。770 G の磁場で光学ダイポールトラップに閉じ込められた原子ガスを蒸発冷却することで、最大90万個の分子を含む分子BECに遷移し、突然現れる二峰性密度分布によって同定された。これはBEC-BCS遷移領域における重要な一歩である。

ABSTRACT

We have observed Bose-Einstein condensation of molecules. When a spin mixture of fermionic Li-6 atoms was evaporatively cooled in an optical dipole trap near a Feshbach resonance, the atomic gas was converted into Li_2 molecules. Below 600 nK, a Bose-Einstein condensate of up to 900,000 molecules was identified by the sudden onset of a bimodal density distribution. This condensate realizes the limit of tightly bound fermion pairs in the crossover between BCS superfluidity and Bose-Einstein condensation.

研究の動機と目的

• Feshbach共鳴付近における三体再結合を介して、超低温フェルミ性 6Li 原子から分子ボーズ・アインシュタイン凝縮（BEC）を実現すること。
• 熱的に平衡を取った原子-分子混合系の蒸発冷却が、非平衡プロトコルを回避してBEC形成に至ることを実証すること。
• 弱い結合フェルミオン対から強く結合した分子凝縮を形成することで、BEC-BCS遷移領域を探索すること。
• 弱い結合 6Li2 分子の長寿命性と安定性を検証し、平衡化と凝縮を可能にするものとする。

提案手法

• 磁場トラップにおける 6Li 原子スピン混合系の蒸発冷却を実施し、単一の遠い周波数シフトレーザー光ビームを用いて光学ダイポールトラップに移行する。
• 2つの最低エネルギーハイパーファイン状態の重ね合わせ状態に系を準備するための断続的周波数スイープを実施し、Feshbach共鳴の調整を可能にする。
• Feshbach共鳴付近で一定の磁場770 G を印加し、三体再結合を介して弱い結合 6Li2 分子の生成を促進する。
• ラジオ周波数（RF）パulses を用いて、原子状態と分子状態の等しい混合状態を生成し、温度対フェルミ温度比が約0.3となるようにする。
• 飛行時間画像法による吸収像を用い、BECの兆候である突然現れる二峰性密度分布を検出する。
• ナトリウム凝縮体の双極子振動を測定し、質量および極効率比を用いて 6Li にスケーリングすることでトラップ周波数と深さを測定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Feshbach共鳴付近における熱的に平衡を取った原子-分子混合系の蒸発冷却により、分子ボーズ・アインシュタイン凝縮を形成できるか？
• RQ2 三体再結合が、BECを経験できる分子ガスを形成する役割を果たすか？
• RQ3 弱い結合 6Li2 分子の寿命と安定性は、凝縮の形成とコherenecの性質にどのように影響するか？
• RQ4 分子散乱長と観測された凝縮特性との関係は何か？

主な発見

• 600 nK 未満の温度で、最大90万個の 6Li2 分子のボーズ・アインシュタイン凝縮が、飛行時間画像における突然現れる二峰性密度分布によって同定された。
• 熱的に平衡を取った原子-分子混合系の蒸発冷却により凝縮が形成されたことから、このアプローチによるBEC形成の可能性が確認された。
• 臨界温度における分子ガスのピーク密度は約1×10¹³ cm⁻³ であり、熱的クラウドの崩壊時間は約1秒、凝縮成分の強度は30 ms で1/3に減少した。
• 観測された分子散乱長は、原子散乱長のおよそ0.6倍であったが、理論予測とは乖離していた。
• 共鳴画像法により、分子のサイズが少なくとも100 nm であることが判明し、極めて弱い結合エネルギー（約2 μK）と、パウリ抑制による振動励起状態の崩壊抑制による長寿命性と整合的であった。
• ビーム幅を拡大した変更版の光学トラップでは、分子凝縮が最大400 ms（3つの軸方向トラップ周期）にわたり安定化された。これは3次元的平衡化と相関性の向上の可能性を示唆している。