[論文レビュー] Optical control of Feshbach resonances in Fermi gases using molecular dark states

Haibin Wu, J. E. Thomas|arXiv (Cornell University)|Oct 4, 2011

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、2つの光場を用いて複数の閉道分子状態を結合し、量子干渉によって非弾性損失を抑制する、超低温フェルミガスにおけるフェシュバッハ共鳴のダーク状態光的制御法を提案する。この手法により、最小限の損失で広範囲かつ逆転可能な散乱長の調整が可能となり、単一光場法と比較して放射の自発的放出が最大2桁低減される。

ABSTRACT

We propose a general method for optical control of magnetic Feshbach resonances in ultracold atomic gases with more than one molecular state in an energetically closed channel. Using two optical frequencies to couple two states in the closed channel, inelastic loss arising from spontaneous emission is greatly suppressed by destructive quantum interference at the two-photon resonance, i.e., dark-state formation, while the scattering length is widely tunable by varying the frequencies and/or intensities of the optical fields. This technique is of particular interest for a two-component atomic Fermi gas, which is stable near a Feshbach resonance.

研究の動機と目的

• 超低温量子ガスにおける実用的応用を制限する光誘発非弾性損失および加熱の問題に対処すること。
• 強い相関を持つフェルミガスにおけるFeshbach共鳴付近での相互作用を、迅速かつ高解像度の空間的・時間的制御が可能にすること。
• 閉道内における2準位系の破壊的量子干渉を活用し、散乱長の広範囲な調整を維持したまま、励起状態への励起を抑制して自発的放出を低減すること。
• 単一光場法を超えて、閉道内の複数分子状態を活用することで、より高い安定性と精度を実現した光的制御を拡張すること。
• 制御可能な相互作用を有する超低温フェルミガスにおいて、非平衡ダイナミクスや不安定な多体系を研究するための実用的ルートを提供すること。

提案手法

• 2つの周波数 ω₁ および ω₂、ラビ周波数 Ω₁ および Ω₂ を有する光場を用い、閉道分子状態 |g₁⟩ および |g₂⟩ を共通の励起状態 |e⟩ に共鳴的に結合させ、2光子共鳴条件下でダーク状態を形成する。
• ハミルトニアンには、開道三重項状態と |g₁⟩ 間のハイパーフィン結合 Vhf が含まれ、これが磁気的フェシュバッハ共鳴を媒介するが、|g₂⟩ は開道から分離されている。
• 2光子共鳴条件における破壊的量子干渉により、|e⟩ からの自発的放出が抑制され、励起状態への励起が抑えられ、非弾性損失が低減される。
• レーザー周波数および強度を変化させることで散乱長を調整し、有効な相互作用強度を広範囲に制御可能となる。
• ドレッシング状態スペクトルから実部および虚部を導出するFano型のアプローチを用いてs波散乱長をモデル化する。
• Ω₁ および Ω₂ の動的制御により、Stimulated Raman adiabatic passage (STIRAP) が可能となり、|g₁⟩ と |g₂⟩ 間のコherentな状態遷移が実現され、分子状態のエンジニアリングが可能となる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 多準位閉道系における2光子量子干渉が、超低温フェルミガスにおける光的フェシュバッハ共鳴制御中に非弾性損失を抑制できるか？
• RQ2 閉道内に複数の分子状態を含めることで、単一光場法と比較して散乱長の広範囲かつより安定した調整が可能になるメカニズムは何か？
• RQ3 ダーク状態が自発的放出を最小限に抑えつつ、相互作用強度の調整性を維持する役割は何か？
• RQ4 ダーク状態制御方式では、従来のオートラー＝タウンズ分離と比較して、散乱長の磁場依存性はどのように変化するか？
• RQ5 既存のレーザーおよびトラップ技術を用いて、6Li や 85Rb といった実際の実験系にこの手法を実装可能か？

主な発見

• ダーク状態法により、単一光場制御と比較して自発的散乱率が最大2桁低減され、Ω₂ = 3γₑ 時に損失が約100倍低減される。
• 磁場依存性において散乱長は3ピーク構造を示し、ダーク状態に起因する狭い中央共鳴が、微小な磁場変化で高解像度の調整を可能にする。
• 固定されたレーザー条件下で、散乱長の実部 a′/abg は広範囲かつ調整可能な共鳴を示すが、虚部 a′′/abg はダーク状態抑制に起因する狭い中央損失ピークを示す。
• 6Li では、g₁→e 遷移に673.7 nmのレーザーを用い、1 mW/cm²あたり Ω₁ ≈ 0.59 MHz、γₑ ≈ 12 MHz として、実用的実装が可能である。
• 6Li における背景散乱長は a_bg = -1405 a₀ であり、この手法によりフェシュバッハ共鳴付近での損失を最小限に抑えながら調整が可能である。
• この技術により、STIRAPを介した |g₁⟩ と |g₂⟩ 間のコherentな状態遷移が可能となり、超低温フェルミガスにおける振動・回転基底状態分子の準備に不可欠である。