[論文レビュー] Quantum Control of Trapped Polyatomic Molecules for eEDM Searches

Loïc Anderegg, Nathaniel B. Vilas+5 more|arXiv (Cornell University)|Jan 20, 2023

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates参考文献 48被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、超低温捕捉されたCaOH分子に対する整合的な量子制御を実証し、電子電気双極子モーメント（eEDM）探索のための新手法を可能にした。外部電場を調整することでゼロg要因スピン状態に準備することで、磁場ノイズを低減しつつeEDM感受性を維持し、30 msのスピン進動コherenct時間（コherenct時間）を達成した。これは、高感度のT対称性破れ物理量の探索に不可欠である。

ABSTRACT

Ultracold polyatomic molecules are promising candidates for experiments in quantum science, quantum sensing, ultracold chemistry, and precision measurements of physics beyond the Standard Model. A key, yet unrealized, requirement of these experiments is the ability to achieve full quantum control over the complex internal structure of the molecules. Here, we establish coherent control of individual quantum states in a polyatomic molecule, calcium monohydroxide (CaOH), and use these techniques to demonstrate a method for searching for the electron electric dipole moment (eEDM). Optically trapped, ultracold CaOH molecules are prepared in a single quantum state, polarized in an electric field, and coherently transferred into an eEDM sensitive state where an electron spin precession measurement is performed. To extend the coherence time of the measurement, we utilize eEDM sensitive states with tunable, near-zero magnetic field sensitivity. The spin precession coherence time is limited by AC Stark shifts and uncontrolled magnetic fields. These results establish a path for eEDM searches with trapped polyatomic molecules, towards orders-of-magnitude improved experimental sensitivity to time-reversal-violating physics.

研究の動機と目的

• 捕獲された多原子分子の内部状態に対する完全な量子制御を実現し、高精度測定を可能にする。
• 超低温捕捉されたCaOH分子を用いて、電子電気双極子モーメント（eEDM）の探索を可能にする。
• 可変電場を用いたゼロg要因状態により、eEDM測定における磁場ノイズを低減する。
• 横方向および残存磁場を最小限に抑えることで、スピン進動コherenct時間を延長する。
• 多原子分子におけるeEDM測定のための系統的誤差低減戦略を開発する。

提案手法

• レーザー冷却を用いてCaOH分子を超低温に捕獲・冷却する。
• マイクロ波駆動と光ポンピングを用いて、分子を単一のハイパーファイン状態に準備する。
• 静的電場を印加して分子を極性化し、磁場感受性が低い近似ゼロg要因状態に調整する。
• マイクロ波パルスを用いて、eEDMに感受性のあるゼロg要因スピン状態の重ね合わせをコherenctに準備する。
• $B_X$および$B_Y$磁場を反復的に最小化することで、横方向磁場ノーリングを実装する。
• フラックスゲート磁力計からのフィードバックを用いて、長期的な磁場ドリフトを補償する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 捕獲された多原子分子において、個々の量子状態のコherenct制御は達成可能か？
• RQ2 CaOHにおけるゼロg要因状態は、磁場ノイズを低減しつつeEDM感受性を維持できるか？
• RQ3 捕獲された分子系におけるスピン進動コherenct時間の制限要因は何か？
• RQ4 横方向磁場をどのように最小化すれば、進動コントラストおよび周波数精度を維持できるか？
• RQ5 非反転磁場からの系統的誤差は、複数回のゼロg要因交差点を用いて低減可能か？

主な発見

• 60.3 V/cmの電場と2 mGのバイアス磁場下で、30 msのスピン進動コherenct時間が達成された。この時間はACスターリングシフトおよび残存磁場に制限されている。
• 反復的ノーリングにより$B_X$および$B_Y$磁場を~1 mGまで低減し、進動周波数およびコントラスト損失を最小化した。
• 60 Hzの磁場揺らぎ（$B_Z$と同等の振幅）が時間依存の進動を引き起こすが、リアルタイムの磁力計フィードバックにより補正された。
• 電場を調整することで有効g要因を近似的にゼロにチューニングし、$\delta B_Z$への感受性を低減した。
• 非反転磁場からの系統的誤差は約30 μHzと推定され、現在の統計的感度より低いが、複数回のゼロg要因交差点を用いることでさらに低減可能である。
• 本プロトコルは他の多原子分子へも適用可能であり、既存手法に比べてeEDM感受性を数桁向上可能である。