[論文レビュー] Stark spectroscopy of Rydberg atoms in an atom-ion hybrid trap

Shinsuke Haze, Joschka Wolf+4 more|arXiv (Cornell University)|Jan 30, 2019

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、ハイブリッド原子イオントラップを用いたラビット光分光法により、超低温87Rb原子が経験する電場を測定し、最大250 V/cmのストarkシフトを明らかにした。捕獲されたイオンが電場の原因である可能性が示唆されるが、スペクトルデータからはポールトラップのRF場の寄与も示唆され、電場の起源に重大な曖昧さが生じており、パルス測定や周波数依存非線形性解析によるさらなる調査が不可欠である。

ABSTRACT

We report on Rydberg spectroscopy of ultracold atoms in an atom-ion hybrid trap for probing the electric fields in a mixture of atoms and ions. We obtain spectra which exhibit excitation gaps corresponding to avoided level crossings in the Stark map. From these measurements we can conclude that the ground state atoms experience electrical fields of up to 250 V/cm. There is, however, a difficulty in interpreting the results, because some data indicate that the electrical fields are produced by the ions while other data indicate that they stem from the Paul trap. We discuss possible scenarios for explaining the measured data, provide first measurements to check these scenarios, and propose methods to finally solve this puzzle.

研究の動機と目的

• ラビット光分光法を用いて、混合超低温原子イオン系における局所的電場を測定すること。
• ラビットスペクトルで観測された強力な電場（最大250 V/cm）の起源を、捕獲されたイオンとポールトラップの両者から区別すること。
• 一部の測定ではイオン由来の電場が示唆される一方で、スペクトル線形の形状からはポールトラップ由来の電場が示唆されるという実験的データの矛盾を解消すること。
• ハイブリッド原子イオン系における電場の起源を明確に特定するための手法の開発と提案を行うこと。

提案手法

• 光学ダイポールトラップ（ODT）を用いて超低温87Rb原子を捕獲し、線形ポールトラップを用いてRb+イオンを同時に捕獲する二重トラップ系を構築した。
• 周波数倍算されたダイヤルレーザーを用い、約298.5 nmの紫外光で、5S1/2基底状態から27P状態への単一光子励起を実施した。
• ラビット励起とそれに続くイオン化に起因する原子損失を吸収像像測定により測定し、イオンの蓄積と電場効果を推定した。
• UVレーザー周波数をスキャンすることでスペクトルを取得し、ストークスマップにおける avoided level crossings を示す励起ギャップを観測した。
• ODTをポールトラップ中心から制御的にずらすことにより、異なる距離における電場依存性を測定した。
• 電場分布およびストークスシフトの数値シミュレーションを実施し、実験スペクトルと照合することで、電場強度推定の妥当性を検証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ハイブリッドトラップ内における超低温ラビット原子が経験する電場（最大250 V/cm）の起源は何か？
• RQ2 なぜ一部の測定ではイオン由来の電場が示唆される一方で、スペクトル線形の形状からはポールトラップ由来の電場が示唆されるのか？
• RQ3 原子損失の時間依存性における非線形係数κが、電場の起源を区別するために利用可能か？
• RQ4 ポールトラップのRF場の空間的・時間的不均一性が、ラビット光分光法にどのように影響を与えるか？
• RQ5 デジタルイオントラップのゼロ電場位相におけるパルス光分光法により、電場起源の曖昧さを解消できるか？

主な発見

• ラビット光分光法により、ストークスマップにおける avoided crossing に対応する励起ギャップが観測され、原子雲内に最大250 V/cmの電場が存在することが示された。
• 原子損失の非線形係数κは、ポールトラップの半径方向捕獲周波数ωrが高くなるにつれて増加し、イオン密度の上昇と強い電場効果を示唆した。
• κはωr ≈ 2π × 230 kHzで飽和し、クーロン反発によるイオンクラスタの圧縮率低下がその原因であると推定された。
• イオンが存在しない状態での測定から、ポールトラップのRF場そのものが、27P3/2共鳴線に顕著な広がりと歪みを引き起こすことが判明。d = 97 μmでの広がりは約4 GHzに達した。
• 電場分布およびストークスシフトの数値シミュレーションは、実験スペクトルと良好に一致し、電場誘起ラビット励起のモデルの妥当性が裏付けられた。
• イオン由来仮説とスペクトルデータの間の矛盾は、観測されたストークスシフトの主因がポールトラップのRF場である可能性を示唆し、当初の仮定を覆すものとなった。