[論文レビュー] Quantum degenerate Bose-Fermi mixture of chemically different atomic species with widely tunable interactions

Jee Woo Park, Cheng-Hsun Wu+4 more|DSpace@MIT (Massachusetts Institute of Technology)|Oct 20, 2011

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

ひとこと要約

本研究では、23Naと40K原子の量子degenerateなボーズ＝フェルミ混合系を実現し、30個以上の調整可能なs波およびp波のフェシュバッハ共鳴を有する。特に、大きな負の三重項散乱長のおかげで、非常に広い共鳴が観測された。この系は、化学的に安定で、強い長距離相互作用を示す双極子的23Na–40K分子の形成を可能にし、双極子的フェルミガスや多体量子相の研究に道を開く。

ABSTRACT

We have created a quantum degenerate Bose-Fermi mixture of 23Na and 40K with widely tunable interactions via broad interspecies Feshbach resonances. Twenty Feshbach resonances between 23Na and 40K were identified. The large and negative triplet background scattering length between 23Na and 40K causes a sharp enhancement of the fermion density in the presence of a Bose condensate. As explained via the asymptotic bound-state model (ABM), this strong background scattering leads to a series of wide Feshbach resonances observed at low magnetic fields. Our work opens up the prospect to create chemically stable, fermionic ground state molecules of 23Na-40K where strong, long-range dipolar interactions will set the dominant energy scale.

研究の動機と目的

• 強い相関のある量子系を研究するため、23Naと40Kという化学的に異なる2種類の原子種の量子degenerate混合系を実現すること。
• 23Naと40K間のs波およびp波フェシュバッハ共鳴を特定・特徴付け、特に低磁場領域での挙動を調べること。
• 大きな電気双極子モーメントを有する安定でフェルミ的基底状態の23Na–40K分子を形成する可能性を検討すること。
• 光学格子内でのボソン媒介相互作用、フェルミポラロン、および新しい量子相の研究を可能にすること。
• 23Naによる40Kの共役冷却と、多成分トラップ内での新しいシェルビング技術による損失抑制を実証すること。

提案手法

• UHVセルに23Naと40K原子を同時にロードするためのデュアル・ジーマンスローラーを用い、高い位相空間密度を達成した。
• 23NaにはダークスポットMOTを、40Kには標準的なMOTを用い、その後、光補助およびスピン反転衝突を最小限に抑えるために勾配を低減した磁気トラップに移行した。
• 23Naを光学励起により|2,2⟩状態にポンプし、磁気井戸に閉じ込めることで、40Kのロード中に不要な衝突を防ぐシェルビング技術を実装した。
• 40Kフェルミクラウドの密度増強を、23Naボーズ＝アインシュタイン凝縮との相互作用によって時間飛行吸収像法で観測した。
• 漸近的束縛状態モデル（ABM）を用いてフェシュバッハ共鳴を分析し、単重・三重項結合および仮想状態効果を含めた。波動関数の重なりと散乱長のフィットパラメータを用いた。
• 連成チャネル計算と実験的ガウスフィッティングを用い、特に低磁場領域でのp波共鳴の三重項構造を解明した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 23Naと40K間のフェシュバッハ共鳴の性質と数は何か？また、ハイパーファイン状態にどのように依存するか？
• RQ2 23Na–40K系におけるs波フェシュバッハ共鳴がなぜ非常に広いのか？三重項散乱長はどのような役割を果たすか？
• RQ3 この系におけるp波フェシュバッハ共鳴は、多重項として分解可能か？これにより分子状態構造に何が明らかになるか？
• RQ4 大きな電気双極子モーメントを有する安定な双極子的23Na–40K分子を形成する可能性は何か？
• RQ5 23Naによる40Kの共役冷却を最適化することで、混合系における量子degenerate状態を達成するにはどうすればよいか？

主な発見

• 23Naと40K間で30個以上のs波およびp波フェシュバッハ共鳴が同定され、特に|F=1,mF=1⟩ + |F=9/2,mF=−5/2⟩状態の138 G付近に、幅約30 Gの広いs波共鳴が観測された。
• p波共鳴は三重項構造を示し、19.1 Gの共鳴が3つの成分に分解され、近接する複数の分子状態が簡約に近い状態に存在することを確認した。
• 大きな負の三重項散乱長aₜ = −830(70) a₀が抽出され、漸近的束縛状態モデルにおける仮想状態への強い結合が、広い共鳴を説明する要因であることが示された。
• 精密な三重項s波束縛状態エネルギーEₜˢ = −1654(3) MHzとp波束縛状態エネルギーEₜᵖ = −1478(7) MHzが決定され、理論的予測と整合的であった。
• 化学的に安定で、2.72(6) Dの大きな永久双極子モーメントを有する23Na–40K分子の形成が可能であり、長距離双極子相互作用を誘発できる。
• ABMによる理論的モデリングは、共鳴位置と幅をうまく再現した。8つの最も狭いs波共鳴に対するフィッティングにより、一貫した散乱長とエネルギースケールが得られた。