[論文レビュー] Sub-second production of a quantum degenerate gas

Gregory Phelps, Anne Hébert+6 more|arXiv (Cornell University)|Jul 21, 2020

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates参考文献 37被引用数 11

ひとこと要約

本論文は、800 msで8×10⁴ ¹⁶⁸Er原子のボーズ＝アインシュタイン凝縮（BEC）を85%の凝縮分率で、4秒で1.5×10⁵ ¹⁶⁷Er原子のデジェネレートフェルミガスを生成する、新規な手法を提示する。狭帯域レーザー冷却、可変式光学ダイポールトラップ（ODT）、最適化された蒸発冷却を組み合わせることで、大原子数系において前例のないサイクル速度を達成し、高繰り返しレートの量子シミュレーションを可能にする。

ABSTRACT

Realizing faster experimental cycle times is important for the future of quantum simulation. The cycle time determines how often the many-body wave-function can be sampled, defining the rate at which information is extracted from the quantum simulation. We demonstrate a system which can produce a Bose-Einstein condensate of $8 imes 10^4$ $^{168} ext{Er}$ atoms with approximately 85% condensate fraction in 800 ms and a degenerate Fermi gas of $^{167} ext{Er}$ in 4 seconds, which are unprecedented times compared to many existing quantum gas experiments. This is accomplished by several novel cooling techniques and a tunable dipole trap. The methods used here for accelerating the production of quantum degenerate gases should be applicable to a variety of atomic species and are promising for expanding the capabilities of quantum simulation.

研究の動機と目的

• 超低温量子ガス実験におけるサイクル時間を劇的に短縮し、多体波動関数の高レートサンプリングを可能にすること。
• 従来の量子ガス装置では一般的に10～60秒/サイクルを要する、遅い蒸発冷却のボトルネックを克服すること。
• ボソン的およびフェルミオン的両種のイ erbium 同位体に適用可能なスケーラブルな手法を開発すること。
• 既存の全光的およびハイブリッド冷却技術を上回る、最小限の時間内に高凝縮分率と大原子数を達成すること。
• ハubbard模型の探索や大規模なライドバーグツイーザー配列への荷重といった、将来的な量子シミュレーション実験を、ドリフト低減とデータ取得レートの向上により可能にする。

提案手法

• 初期捕獲と偏光のため、ライン幅2π×190 kHzの5ビーム狭帯域磁気光的トラップ（MOT）を583 nmで実装し、¹⁶⁸Er原子を捕獲する。
• 841 nmのMOT（ライン幅2π×8 kHz）に移行する前の効率的冷却のため、401 nmのゼーマンスローラーと2次元モラススを用いる。
• 1064 nmの可変ビーム径を持つ可変式光学ダイポールトラップ（ODT）に原子を移行させ、トラップ幾何学的形状と深さを動的に制御可能にする。
• 強度勾配による差分ACスターリングシフトを補償する技術を適用し、ODT内でも冷却効率を維持する。
• 時間変化するトラップ深さを用いたODT内での蒸発冷却により、BECでは800 ms、フェルミガスでは4秒で量子デジェネレート状態を達成する。
• 水平方向ODTのビーム径を調整可能なレンズ系を用い、異なる同位体に最適化されたトラップ深さと散乱断面積を実現する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 イ erbium において、大規模で高精度なボーズ＝アインシュタイン凝縮を1秒未満で生成することは可能か？
• RQ2 ダイポールトラップ内での蒸発冷却を高速化しつつ、高凝縮分率を維持し、原子損失を最小限に抑える方法は何か？
• RQ3 同様の短時間で、フェルミオン的同位体（¹⁶⁷Er）を用いたデジェネレートフェルミガスを生成するための冷却・トラップスキームを拡張可能か？
• RQ4 強い差分ACスターリングシフト下でも、狭帯域レーザー冷却技術をODT内で効果的に用いることは可能か？
• RQ5 適切な蒸発ラムプおよびトラップパラメータの調整により、最も少ない存在比である¹⁶²Erを含むすべてのイ erbium 同位体に一般化可能か？

主な発見

• 8×10⁴ ¹⁶⁸Er原子のボーズ＝アインシュタイン凝縮を800 msで生成し、凝縮分率85%を達成。通常の実験と比較して10～100倍の高速化を実現。
• 蒸発冷却270 ms後に凝縮分率が92%に達し、サイクル時間内にほぼ純粋なBECが形成されたことが示された。
• 1.5×10⁵ ¹⁶⁷Er原子のデジェネレートフェルミガスを4秒で生成し、T/T_F ≈ 0.25を達成。ダイポールフェルミガスにおいては、従来の方法よりも顕著に高速化された。
• MOTのローディング時間と蒸発冷却時間を短縮することで、700 ms未満で2×10⁴原子の純粋なBECを生成可能となった。
• ODTへの大原子数移行効率が高く、サイクル時間を延長することでBECで最大10⁶原子までスケーラブルであることが示された。
• 適切な蒸発ラムプおよびトラップパラメータの調整により、本手法はすべてのイ erbium 同位体（¹⁶²Erを含む）に一般化可能であることが確認された。