[論文レビュー] Photoassociation of long-range $nD$ Rydberg molecules

David Anderson, Stephanie Miller+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 10, 2014

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates被引用数 11

ひとこと要約

本研究では、超低温 87Rb 原子における光凝集を介して、長距離結合の同核 nD ライドバーグ分子の初回観測を報告している。nD 型分子が nS 型に比べてより大きな結合エネルギーを示すことが実証された。低 n では Hund のケース (a) が支配的であり、高 n では Hund のケース (c) に移行する。結合エネルギーは低 n では n_eff^{-6} に比例し、高 n では n_eff^{-3} に比例する。実験データから s 波散乱長 a_s0 = -14 ± 0.5 a_0 が決定された。

ABSTRACT

We observe long-range homonuclear diatomic $nD$ Rydberg molecules photoassociated out of an ultracold gas of $^{87}$Rb atoms for 34$\le n \le$40. The measured ground-state binding energies of $^{87}$Rb$(nD-5S_{1/2})$ molecular states are larger than those of their $^{87}$Rb$(nS-5S_{1/2})$ counterparts, showing the dependence of the molecular bond on the angular momentum of the Rydberg atom. We exhibit the transition of $^{87}$Rb$(nD-5S_{1/2})$ molecules from a molecular-binding-dominant regime at low $n$ to a fine-structure-dominant regime at high $n$ [akin to Hund's cases (a) and (c), respectively]. In the analysis the fine structure of the $nD$ Rydberg atom and the hyperfine structure of the $5S_{1/2}$ atom are included.

研究の動機と目的

• 超低温 87Rb 原子において光凝集を経由して形成された長距離 nD ライドバーグ分子を観測・特徴付けること。
• ライドバーグ電子の角運動量 (ℓ = 2) が分子結合エネルギーに与える依存性を調査すること。
• 主量子数 n の関数として、nD-5S_{1/2} 分子状態における Hund のケース (a) と (c) の遷移をマッピングすること。
• 実験的結合エネルギーから s 波散乱長 a_s0 を決定し、理論的予測と比較すること。
• 微細構造およびハイパーファイン構造が分子ポテンシャルおよびエネルギー準位構造に与える役割を分析すること。

提案手法

• 超低温 87Rb 原子を磁気トラップ状態 (|F=2, m_F=2⟩) に冷却し、17 μK 未満の温度で、ピーク密度が 5 × 10^{11} cm^{-3} 以上となるように準備した。
• 780 nm および 480 nm レーザーを用いた二光子励起により nD ライドバーグ状態に到達させ、780 nm ビームを共振からずらして加熱を最小限に抑えた。
• 480 nm レーザーを走査してライドバーグ原子および分子を励起し、合計励起帯域幅は約 2 MHz であった。
• 6 個の個別にアドレス可能な電極を用いた電場制御により、スターリングシフトを低減し、残存電場を 200 mV/cm 未満に保った。
• ライドバーグ状態および分子の電離は電場電離により実施し、イオンはマイクロチャネルプレートを用いて検出した。
• 理論的モデリングでは、ライドバーグ状態と基底状態の相互作用を記述するため、Fermi 型擬ポテンシャル V_\text{pseudo} = 2\pi a_s \delta^3(\mathbf{r} - \mathbf{R}) を用い、a_s0 を実験的結合エネルギーに一致させるように調整した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 nD-5S_{1/2} ライドバーグ分子の結合エネルギーは、nS-5S_{1/2} 分子と比べてどのように異なるか？
• RQ2 分子結合エネルギーが微細構造（Hund のケース a）に支配されるのと、微細構造（Hund のケース c）に支配されるのとを分かつ n の値は何か？
• RQ3 nD-5S_{1/2} システムの s 波散乱長 a_s0 は何か？ また、既存の値と比較するとどうなるか？
• RQ4 nD 型分子の電気双極子モーメントと磁気双極子モーメントは n に対してどのようにスケーリングするか？ また、nS 型分子とはどのように異なるか？
• RQ5 ハイパーファイン構造および微細構造が、nD-5S_{1/2} 分子のエネルギー準位構造に果たす役割は何か？

主な発見

• 87Rb (nD-5S_{1/2}) 分子の測定された基底状態結合エネルギーは、nS-5S_{1/2} 型に比べて大きく、ℓ = 2 のライドバーグ特性に起因する結合エネルギーの増大が確認された。
• 低 n では Hund のケース (a) が支配的であり、高 n では Hund のケース (c) に移行する。高 n における ν=0 準位の D_{3/2} と D_{5/2} の結合エネルギー比は、2/3 に近づく。
• 散乱長は a_s0 = -14 ± 0.5 a_0 と決定され、-13 から -19.48 a_0 の範囲で報告された既存の値と整合的であった。
• nD_{3/2} 分子の ν=0 状態の結合エネルギーは 84.2 GHz / n_\text{eff}^{6.13} に比例し、Hund のケース (a) に予想される n_\text{eff}^{-6} スケーリングと一致した。
• nD_{5/2} 分子では、低 n における結合エネルギーは 23 MHz / n_\text{eff}^{3.6} に比例し、高 n で n_\text{eff}^{-3} スケーリングに近づくことから、Hund のケース (c) への遷移が示された。
• nD_{3/2} 分子の電気双極子モーメントは、n_\text{eff}^{-2} にほぼ比例し、nS 型分子と同様のスケーリングを示した。一方、nD_{5/2} 分子の電気双極子モーメントは、Hund のケース遷移のため明確なスケーリングが認められなかった。