[論文レビュー] Production of very-high-$n$ strontium Rydberg atoms

Shuzhen Ye, Xinyue Zhang+6 more|arXiv (Cornell University)|Sep 27, 2013

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates被引用数 9

ひとこと要約

本論文は、交差するレーザー・アトビーム設定を用いて、非常に高n（𝑛 ≈ 300–500）のストロンチウムレーザー準位を効率的に二光子励起することを示した。これにより、レーザー準位密度が最大で約3×10⁵ cm⁻³に達した。二つの励起電子モデルを用い、半経験的Sr²⁺コアポテンシャルを組み合わせた研究では、dc電場中における𝑛¹D₂準位がスターリング交差場付近で強い極性を示すことが明らかになった。この極性は、波パケット工学や強相関系に適した準一次元的で強く極化されたレーザー準位の生成を可能にする。

ABSTRACT

The production of very-high-$n$, $n\sim300$-500, strontium Rydberg atoms is explored using a crossed laser-atom beam geometry. $n$$^{1}$S$_{0}$ and $n$$^{1}$D$_{2}$ states are created by two-photon excitation via the 5s5p $^{1}$P$_{1}$ intermediate state using radiation with wavelengths of $\sim$~461 and $\sim$ 413 nm. Rydberg atom densities as high as $\sim 3 imes 10^{5}$ cm$^{-3}$ have been achieved, sufficient that Rydberg-Rydberg interactions can become important. The isotope shifts in the Rydberg series limits are determined by tuning the 461 nm light to preferentially excite the different strontium isotopes. Photoexcitation in the presence of an applied electric field is examined. The initially quadratic Stark shift of the $n$$^{1}$P$_{1}$ and $n$$^{1}$D$_{2}$ states becomes near-linear at higher fields and the possible use of $n{}^{1}$D$_{2}$ states to create strongly-polarized, quasi-one-dimensional electronic states in strontium is discussed. The data are analyzed with the aid of a two-active-electron (TAE) approximation. The two-electron Hamiltonian, within which the Sr$^{2+}$ core is represented by a semi-empirical potential, is numerically diagonalized allowing calculation of the energies of high-$n$ Rydberg states and their photoexcitation probabilities.

研究の動機と目的

• 非常に高n（𝑛 ≈ 300–500）のストロンチウムレーザー準位の高密度生成を実現し、強いレーザー準位-レーザー準位相互作用を研究すること。
• 可変周波数461 nm光を用いたレーザー準位系列の極限における同位体シフトの分光的分解能を調べること。
• 特に𝑛¹D₂準位に対して、dc電場を印加した際のレーザー準位極性の進化を調査すること。
• 高nレーザー準位エネルギーと光励起確率を予測するための、半経験的Sr²⁺コアポテンシャルを用いた二つの励起電子（TAE）モデルの構築と検証。
• 波パケット工学や相関する2電子ダイナミクスの研究に適した、準一次元的で強く極化されたレーザー準位の生成を可能にする

提案手法

• 461 nm（青）および413 nm（紫）の逆方向入射レーザー光ビームを用い、5s5p ¹P₁中間準位を介した二光子励起。交差する原子・レーザー光ビーム幾何配置を採用。
• 直交または同一方向偏光の逆方向ビームを用いることでドーピラー幅を最小限に抑え、有効なライン幅を狭くする。
• dc電場を印加してスターリングシフトを調整し、特に二次的からほぼ線形的スターリングシフトへの遷移を誘発する。
• 半経験的Sr²⁺コアポテンシャルを用いた二電子ハミルトニアンの数値的対角化により、𝑛 ≤ 50のエネルギーと光励起確率を計算し、その後クーロンスケーリングを用いて𝑛 ≈ 300–500に外挿する。
• 高n準位における理論的予測と実験データの一致を高めるために、リッツ補正および量子欠陥をスケーリングモデルに組み込む。
• 極性の定量的評価のため、dipoleモーメント⟨𝑧₁ + 𝑧₂⟩を分析。スターリング混合効果については摂動的および非摂動的取り扱いを併用。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 交差ビーム幾何配置を用いた二光子励起により、非常に高n（𝑛 ≈ 300–500）のストロンチウムレーザー準位を効率的に生成できるか？
• RQ2 高nにおけるレーザー準位-レーザー準位相互作用はどのように顕著化し、そのような原子の達成可能な密度はどの程度か？
• RQ3 𝑛¹D₂準位はdc電場中でどの程度極化可能か？また、スターリングシフトが二次的からほぼ線形的へと変化する場合力はどの程度か？
• RQ4 半経験的Sr²⁺コアポテンシャルを用いた二つの励起電子（TAE）モデルは、高nレーザー準位のエネルギーと励起確率を正確に予測できるか？
• RQ5 スターリング交差場付近の𝑛¹D₂準位で達成可能な極性度はどの程度か？また、このような準位は準一次元的レーザー波パケット工学の基盤として機能可能か？

主な発見

• 最大で約3×10⁵ cm⁻³のレーザー準位密度が達成され、これによりレーザー準位-レーザー準位相互作用が顕著になる。
• 461 nmレーザー周波数を調整することで、異なるストロンチウム同位体を選択的に励起し、レーザー準位系列極限における同位体シフトを測定した。
• 𝑛¹D₂準位は、近接する50F準位への主要な結合により、dc電場中で強い極性を示す。高電場下では、dipoleモーメントが水素的極限（1.5𝑛² a.u.）に近づく。
• 𝑛¹D₂準位のスターリングシフトは、高dc電場で二次的からほぼ線形的挙動に移行し、高角運動量状態との強い混合を示している。
• 半経験的Sr²⁺コアポテンシャルを用いた二つの励起電子モデルは、クーロンスケーリングとリッツ補正を用いることで、高nレーザー準位エネルギーと励起スペクトルの正確な予測を可能にする。
• 結果は、𝑛 ≈ 300で準一次元的で強く極化されたレーザー準位を生成可能であることを示しており、波パケット工学および相関する2電子ダイナミクスの研究に最適である。