[論文レビュー] Trapping and imaging single dysprosium atoms in optical tweezer arrays

Damien Bloch, Britton Hofer+3 more|arXiv (Cornell University)|Jul 10, 2023

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates被引用数 2

ひとこと要約

本論文は、ランタニドの異方性光物質相互作用を活用してマジック偏光条件を達成することで、532 nm光を用いた光学トゥイーザー配列において、初めての単一 dysprosium 原子の捕獲とイメージングを実証した。トゥイーザー光の楕円度を調整することで、基底状態と励起状態間の微小な光シフトの差がキャンセルされ、99.1(2)%の高精度な単一原子イメージングとマイクロケルビン未満の温度が達成された。

ABSTRACT

We report the preparation and observation of single atoms of dysprosium in arrays of optical tweezers with a wavelength of 532 nm imaged on the intercombination line at 626 nm. We use the anisotropic light shift specific to lanthanides and in particular a large difference in tensor and vector polarizabilities between the ground and excited states to tune the differential light shift and produce tweezers in near-magic or magic polarization. This allows us to find a regime where single atoms can be produced and imaged. Using the tweezer array toolbox to manipulate lanthanides will open new research directions for quantum physics studies by taking advantage of their rich spectrum, large spin and magnetic dipole moment.

研究の動機と目的

• 光学トゥイーザー配列における dysprosium の高忠実度単一原子制御を可能にすること。
• ランタニドに特有の異方性分極率を活用することで、その大きな微小光シフトの課題を克服すること。
• トゥイーザー光の偏光を可変化させることで、532 nmでのマジックトラップを実現すること。
• 626 nmの狭帯域結合遷移を用いて、99%を超えるイメージング忠実度を実証すること。
• Dy の大きなスピンと磁気双極子モーメントを活用した量子シミュレーションおよびセンシングの新たな道筋を開くこと。

提案手法

• 5 µm間隔、500 nmウェストを有する5×5の光学トゥイーザー配列を、2次元の音響光デバイスを用いて532 nmで生成した。
• 2色コアシェル磁気光的トラップ（MOT）を用いて、162Dy 原子を冷却・捕獲し、その後トゥイーザー配列に移行させた。
• 7 Gの磁場を印加して、|g⟩ = |J=8, mJ=−8⟩ と |e⟩ = |J′=9, m′J=−9⟩ 間の閉じたσ⁻サイクリング遷移を分離し、非共鳴散乱を最小限に抑えた。
• 532 nmトゥイーザー光の楕円度を調整することで、テンソルおよびベクトル分極率のバランスをとらせ、532 nmでのマジックトラップを達成した。
• 赤方へずらしたパルスを用いた光補助衝突を適用し、原子対の排出を実現することで、平均充填率をほぼ50%に低下させた。
• 背景からの区別を可能にするために、光子数統計に基づくしきい値プロトコルを採用し、イメージング忠実度を向上させた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 532 nm光を用いた光学トゥイーザー配列で、626 nmの結合遷移を用いて、単一 Dy 原子を安定して捕獲・イメージングできるか？
• RQ2 トゥイーザー光の偏光を調整することで、532 nmでの Dy のマジックトラップを達成できるか？
• RQ3 このような系における単一 Dy 原子のイメージング忠実度と温度は、どの程度達成可能か？
• RQ4 捕獲された状態と捕獲されないメタ安定状態間の分岐比が、イメージング忠実度にどのように影響するか？
• RQ5 連続冷却が行われない状態でのトゥイーザー内における主な加熱および損失機構は何か？

主な発見

• 検出しきい値の最適化と光子散乱・損失ダイナミクスの考慮により、単一原子イメージング忠実度が99.1(2)%に達成された。
• リリース・リキャプチャ技術を用いて、トゥイーザー内での温度を6.3(2) µKと測定し、マイクロケルビン未満の冷却を示した。
• 冷却光を切った状態で1.7(2) µK s⁻¹の加熱率を観測し、400 nm付近の広帯域遷移が支配的であることが判明した。
• イメージング中に基底状態から捕獲されたメタ安定状態への遷移の分岐比 α = 0.65 を抽出した。
• 真空寿命 τvac ≥ 500 s であり、冷却パワーが低い状態では冷却誘発損失が寄与し、全寿命が300(30) sに達した。
• トゥイーザー光の楕円度を調整することで、|g⟩ と |e⟩ 状態間の微小光シフト差がほぼゼロになることを確認し、532 nmでのマジックトラップを実証した。