[論文レビュー] Raman-induced oscillation between an atomic and a molecular quantum gas

Changhyun Ryu, Xixun Du+5 more|arXiv (Cornell University)|Aug 8, 2005

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates被引用数 10

ひとこと要約

この論文は、光格子内のモット絶縁体状態における原子的および分子的量子ガスの間で、整合性のあるラマン誘発振動を示している。デコherenceのメカニズムを抑制することで、量子化されたサイト占有状態に結びついた離散的なラマン遷移を観測し、ガスの中心核における整合性のある振動を解明した。これにより、サイト占有状態分布および原子-分子散乱長の正確な測定が可能になった。

ABSTRACT

It has recently been demonstrated that quantum degenerate gases of very weakly bound molecules can be produced by atomic gases with Feshbach resonances. More strongly bound molecules can be produced with Raman photoassociation of a quantum gas, although this process has not yet been shown to produce a quantum degenerate molecular gas. In principle, Feshbach resonance and Raman photoassociation can be quantum-mechanically reversible, and lead to collective coherent phenomena such as Rabi cycling between an atomic and a molecular gas. However, such atom-molecular coherence has only partly been realized experimentally. Effects that may limit coherence include thermalizing elastic collisions, inelastic collisions, spontaneous Raman scattering, and pairing field formation. Here, we demonstrate a method that circumvents these limitations, based on Raman photoassociation of atoms in an optical lattice and driven into a Mott insulator state. We find that the Raman photoassociation transition is resolved into discrete lines corresponding to the quantized lattice site occupancies, and demonstrate that this provides a new method to accurately determine the distribution of site occupancies and the atom-molecule scattering length. Furthermore, we observe a Raman-induced oscillation of the central core of the gas, containing about 30% of the atoms, between an atomic and a molecular gas.

研究の動機と目的

• デコherenceの課題にかかわらず、原子的および分子的量子ガスの間で整合性のあるラマン誘発振動を実現すること。
• 超低温原子系における熱化衝突、非弾性過程、および自発的散乱による制限を回避すること。
• 光格子内のモット絶縁体状態を用いてデコherenceを抑制し、解像されたラマン遷移を可能にすること。
• 超低温量子ガスにおけるサイト占有状態分布を正確に決定する手法を開発すること。
• 制御された格子環境下で解像されたラマン分光法を用いて、原子-分子散乱長を測定すること。

提案手法

• 縮退量子ガスにおいて、ラマン光励起を用いて原子状態と分子状態の間の整合性のある遷移を駆動した。
• 強い光格子ポテンシャルを用いてモット絶縁体状態を形成し、原子を局在化させ、非整合性プロセスを抑制した。
• 異なる格子サイト占有状態（例：1, 2, 3個の原子/サイト）に対応する離散的なラインとして解像されたラマン遷移を観測した。
• 解像されたスペクトルラインを用いて、ガスの中心核におけるサイト占有状態の分布を推定した。
• 時間分解ラマン駆動を適用し、原子的および分子的成分間の整合性のある振動を観測した。
• サイト占有状態に依存するラマン遷移周波数の依存性を分析することで、原子-分子散乱長を測定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 支配的なデコherenceメカニズムが存在する中で、原子的および分子的量子ガスの間の整合性のあるラマン誘発振動を観測できるか？
• RQ2 量子化された格子サイト占有状態は、強い相関のある量子ガスにおけるラマン遷移スペクトルにどのように影響するか？
• RQ3 解像されたラマン分光法を用いて、モット絶縁体状態におけるサイト占有状態の分布を正確に特定できるか？
• RQ4 強い相互作用を示す超低温ガスにおける原子-分子散乱長は何か？ また、ラマンスペクトルからその値を抽出できるか？
• RQ5 モット絶縁体状態はどの程度デコherenceを抑制し、整合性のある原子-分子ダイナミクスを可能にするか？

主な発見

• 中心核部に約30%の原子を含む領域で、原子的および分子的状態の間のラマン誘発振動が観測された。
• ラマン遷移スペクトルは、異なる格子サイト占有状態（1, 2, 3個/サイト）に対応する離散的なラインに分解され、サイト占有状態の正確な決定が可能になった。
• 観測されたラマンラインを用いて、原子-分子散乱長の正確な測定が可能になった。
• モット絶縁体状態はデコherenceを効果的に抑制し、従来、非弾性および弾性衝突によって制限されていた整合性のある振動の観測を可能にした。
• 系は原子的および分子的状態の間を整合的に入れ替えるサイクルを示し、超低温ガスにおける制御された量子状態遷移の可能性を示した。
• 解像されたスペクトル構造は多体効果の存在を確認し、光格子内の量子多体状態を探索するための新しい手法を提供した。