[論文レビュー] Shedding Light on Three-Body Recombination in an Ultracold Atomic Gas

A. Härter, Artjom Krükow+4 more|arXiv (Cornell University)|Jan 23, 2013

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates参考文献 26被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、超低温87Rb原子における三体再結合によって生成される分子の量子状態分布を調べるための新規な実験的手法を提示する。共鳴イオン化とイオントラップを用いることで、結合エネルギーが最大750 GHzに達する分子状態を同定した。これにより、振動、回転、スピン状態にわたる広範な分布が明らかとなり、非共鳴領域における再結合生成物の初の包括的サーベイが可能になった。

ABSTRACT

Three-body recombination is a prime example of the fundamental interaction between three particles. Due to the complexity of this process it has resisted a comprehensive description. Experimental investigations have mainly focussed on the observation of corresponding loss rates without revealing information on the reaction products. Here, we provide the first general experimental study on the population distribution of molecular quantum states after three-body recombination in a non-resonant regime. We have developed a highly sensitive detection scheme which combines photoionization of the molecules with subsequent ion trapping. By analyzing the ionization spectrum, we identify the population of energy levels with binding energies up to $h imes 750\:$GHz. We find a broad population of electronic and nuclear spin states and determine a range of populated vibrational and rotational states. The method presented here can be expanded to provide a full survey of the products of the recombination process. This may be pivotal in developing an in-depth model that can qualitatively and quantitatively predict the reaction products of three-body recombination.

研究の動機と目的

• 三体再結合で励起される量子状態の同定という長年の課題に取り組むこと。これまでは損失率測定に限られていた。
• 再結合によって生成される個々の分子量子状態を解像できる、バックグラウンドフリーで高感度な検出方式を開発すること。
• エフゼン効果領域を超えて、再結合生成物における振動、回転、電子的およびスピン状態の分布をマッピングすること。
• 今後の三体再結合の定量的モデリングを可能にするために、最終状態の分布に関する完全な実験データセットを提供すること。

提案手法

• 光学ダイポールトラップに閉じ込められた約5×10⁵個のスピン極化87Rb原子の熱的クラウドを準備し、線形パウルトラップに近接させることでハイブリッド原子-イオン系を形成する。
• 三体再結合によって生成されるRb₂分子は高い運動エネルギーを有し、1064.5 nm付近のダイポールトラップレーザーを用いた共鳴強化マルチフォトンイオン化（REMPI）によりイオン化される。
• 得られるRb₂⁺イオンはパウルトラップに捕獲され、2つのバックグラウンドフリーな手法（レーザー冷却138Ba⁺をプローブとして用いる方法と、イオン誘導原子損失検出法）を用いて単粒子感度で検出される。
• 60 GHz以上にわたるレーザー周波数の走査により、高分解能のイオン化スペクトルが得られ、100個以上の共鳴ピークが観測され、励起された分子状態に対応している。
• トラップイオンの高い検出効率とダイポールレーザーの精密周波数制御を活用し、Rb₂分子内の振動、回転、ハイパーファイン準位を解像できる。
• 理論的分析では、フランク＝コンドン因子とスピン軌道結合に注目し、A¹Σᵤ⁺、b³Πᵤ、c³Σᵤ⁺状態における顕著な共鳴を特定された電子的およびロビブロニック状態に割り当てる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 超低温87Rb原子における三体再結合で励起される量子状態（振動、回転、電子的、スピン）の分布はどのように分布しているか？
• RQ2 バックグラウンドフリーで単粒子検出可能な方式により、結合エネルギーが750 GHzに達する分子状態を解像できるか？
• RQ3 非共鳴領域における三体再結合の最終状態の分布は、相互作用ポテンシャルの詳細にどのように依存するか？
• RQ4 再結合過程は弱く結合した状態に偏るのか、それとも最近の理論的予測が示すように広範な状態の分布を示すのか？

主な発見

• 結合エネルギーがh×750 GHzに達する分子状態が検出され、これはRb₂⁺イオンの振動準位v≈17に相当する。これにより、本手法の高いエネルギー分解能が示された。
• イオン化スペクトルに100個を超える明確な共鳴ピークが観測され、振動、回転、ハイパーファイン状態に広範かつ複雑な分布が存在することが示された。
• データはA¹Σᵤ⁺、b³Πᵤ、c³Σᵤ⁺といった複数の電子状態および広範な回転・スピン状態への顕著な励起を示しており、再結合が常に最も弱く結合した状態に偏るという仮定に反する結果となった。
• 顕著な共鳴の割り当ては、フランク＝コンドン因子とスピン軌道結合と整合的であり、本手法が再結合生成物の微細構造を解像できることを確認した。
• ハイブリッド原子-イオントラップ構成により、バックグラウンドフリーな検出が可能となり、単一イオン感度で実現された。これにより、複数の量子状態にわたる再結合生成量の定量的測定が可能になった。
• 本研究は、非共鳴領域における再結合生成物の初の一般的な実験的サーベイを提供し、少数体量子モデルの検証および精緻化に不可欠なデータを提供した。