[論文レビュー] Probing photoinduced two-body loss of ultracold non-reactive bosonic $^{23}$Na$^{87}$Rb and $^{23}$Na$^{39}$K molecules

Philipp Gersema, Kai K. Voges+8 more|PubMed|Feb 28, 2021

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates参考文献 1被引用数 8

ひとこと要約

本研究は、超低温で化学的に安定なボソン的 $^{23}$Na$^{87}$Rb および $^{23}$Na$^{39}$K 分子における光誘発二体損失を、切断された光学ダイポールトラップ（ODT）を用いて損失メカニズムを調査した。理論的予測では複雑な状態の寿命が短く（約6–13 μs）、しかし著者らは低周波の切断周波数および長いダークタイムでもほぼ普遍的な損失を観測した。これは、複雑状態の寿命が著しく低く見積もられているか、光励起による四体衝突複合体の生成を越えた未知の損失メカニズムが存在することを示唆している。

ABSTRACT

We probe photoinduced loss for chemically stable bosonic ^{23}Na^{87}Rb and ^{23}Na^{39}K molecules in chopped optical dipole traps, where the molecules spend a significant time in the dark. We expect the effective two-body decay to be significantly suppressed due to the small expected complex lifetimes of about 13 and 6 μs for ^{23}Na^{87}Rb and ^{23}Na^{39}K, respectively. However, instead we do not observe any suppression of the two-body loss in parameter ranges where large loss suppressions are expected. We believe these unexpected results are most probably due to drastic underestimation of the complex lifetime by at least 1-2 orders of magnitude.

研究の動機と目的

• 光励起による四体衝突複合体の生成が、超低温非反応性分子における主要な損失メカニズムであるという仮説を検証すること。
• ODT強度を変調し、ダークタイムを変化させることで、複雑状態の寿命を測定すること。
• Christianen らが提唱した光誘発損失モデルと一致するか、超低温分子における観測された二体損失がそのモデルに従うかを検証すること。
• 軽量分子種である $^{23}$Na$^{87}$Rb および $^{23}$Na$^{39}$K における理論的予測の複雑状態寿命が、実験的観測と整合しているかを検討すること。
• 切断ODTにおける損失ダイナミクスが予測と乖離しているかどうかを調査し、未知の損失経路または複雑状態寿命の著しい低減が原因である可能性を検討すること。

提案手法

• 周期的なダークフェーズを生成するため、方形波強度変調を用いた切断された光学ダイポールトラップ（ODT）を用い、複雑状態寿命のプローブを可能にした。
• トラップのオンフェーズ中に、1064 nm の「キリングビーム」を用いて分子を選択的に励起・枯渇させ、相対的数の増加を測定した。
• 切り替え周波数（$f_{\rm mod}$）およびデューティーサイクル（$\eta$）を変化させ、有効なダークタイム（$t_{\rm d}$）を系統的に調整し、複雑状態寿命依存性をテストした。
• 再現性を確認し、実験的アーチファクトを除外するために、ハノーファーおよび香港の2つの独立した実験装置を用いて実験を実施した。
• 切り替えと連続波（cw）トラップ条件との間で、相対的数の増加 $N_{\rm mod}/N_{\rm cw} - 1$ を切り替え周波数および強度の関数として測定した。
• 光誘発損失が主なメカニズムであると仮定し、ダークフェーズにおける最大観測数増加を分析することで、複雑状態寿命の下限を抽出した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 光励起による四体衝突複合体の生成が、超低温の $^{23}$Na$^{87}$Rb および $^{23}$Na$^{39}$K 分子における二体損失を支配しているか？
• RQ2 ダークタイムが予測された複雑状態寿命を上回る場合、切断ODTにおいて観測された二体損失が抑制されるか？
• RQ3 損失ダイナミクスに基づいて、$^{23}$Na$^{87}$Rb および $^{23}$Na$^{39}$K の有効な複雑状態寿命は何か？
• RQ4 軽量分子種における複雑状態寿命の理論的予測は、実験的観測と整合しているか？
• RQ5 未知の損失メカニズム、または複雑状態寿命の著しい低減が、持続的なほぼ普遍的損失を説明できるか？

主な発見

• 1 kHzという低周波の切り替え周波数および予測された複雑状態寿命の10倍以上のダークタイムでも、$^{23}$Na$^{87}$Rb や $^{23}$Na$^{39}$K において二体損失の抑制は観測されなかった。
• すべての切り替え周波数およびデューティーサイクルにおいて、相対的数の増加はゼロと一致し続け、損失の周波数依存性がなく、光励起モデルの予想とは反対であった。
• $^{23}$Na$^{39}$K について、複雑状態寿命の下限として $\tau_{\rm c,NaK} \geq 0.35\,$ms を抽出した。これは予測された $6\,$μs よりも著しく大きい。
• $^{23}$Na$^{87}$Rb についても、複雑状態寿命の下限として $\tau_{\rm c,NaRb} \geq 1\,$ms を得た。これは予測された $13\,$μs よりもはるかに大きい。
• すべてのデータを統合すると、$^{23}$Na$^{39}$K の複雑状態寿命は $>1\,$ms、$^{23}$Na$^{87}$Rb では $>4\,$ms であると推定され、現在のモデルにおける複雑状態寿命の著しい低減が示唆された。
• 結果は2つの独立した実験装置で一貫しており、フェルミオン的 $^{23}$Na$^{40}$K でも類似の結果が得られていることから、特定の分子種に限った問題ではなく、より広範な問題であることが示された。