[論文レビュー] Tuning of dipolar interactions and evaporative cooling in a three-dimensional molecular quantum gas

Jun-Ru Li, William G. Tobias+9 more|arXiv (Cornell University)|Mar 10, 2021

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates被引用数 1

ひとこと要約

本研究では、電場誘発共鳴遮蔽を用いて、三次元超低温 40K87Rb 分子量子ガスにおける調整可能な弾性双極子相互作用と蒸発冷却を実証した。これにより、二体損失が30倍低減された。この手法により、異方的双極子散乱の直接観測が可能となり、位相空間密度の増加を伴う効率的な蒸発冷却が達成され、三次元バルク量子ガスにおける長距離双極子多体物理学を研究する一般的手法が確立された。

ABSTRACT

Ultracold polar molecules possess long-range, anisotropic, and tunable dipolar interactions, providing the opportunities to probe quantum phenomena inaccessible with existing cold gas platforms. However, experimental progress has been hindered by the dominance of two-body loss over elastic interactions, which prevents efficient evaporative cooling. Though recent work has demonstrated controlled interactions by confining molecules to a two-dimensional geometry, a general approach for tuning molecular interactions in a three-dimensional (3D), stable system has been lacking. Here, we demonstrate tunable elastic dipolar interactions in a bulk gas of ultracold 40K87Rb molecules in 3D, facilitated by an electric field-induced shielding resonance which suppresses the reactive loss by a factor of thirty. This improvement in the ratio of elastic to inelastic collisions enables direct thermalization. The thermalization rate depends on the angle between the collisional axis and the dipole orientation controlled by an external electric field, a direct manifestation of the anisotropic dipolar interaction. We achieve evaporative cooling mediated by the dipolar interactions in three dimensions. This work demonstrates full control of a long-lived bulk quantum gas system with tunable long-range interactions, paving the way for the study of collective quantum many-body physics.

研究の動機と目的

• 三次元超低温分子ガスにおける弾性双極子散乱の研究を阻害していた主な二体損失を克服すること。
• 三次元における共鳴遮蔽が反応的損失を低減しつつ、調整可能な弾性双極子相互作用を維持できることを実証すること。
• 制御された双極子相互作用を通じた熱化を可能にすることで、三次元バルク分子量子ガスにおける蒸発冷却を達成すること。
• 低エントロピーで強く相互作用する量子ガスを調製するため、広範な分子種に適用可能な一般的手法を確立すること。

提案手法

• |ES| = 12.72 kV/cm の電場誘発遮蔽共鳴を用いて、40K87Rb 分子の二体損失を30倍低減。
• 三次元光的ダイポールトラップを用いて、外部電場による双極子方向の調整が可能な |N=1, mN=0⟩ 状態の超低温 KRb 分子を捕捉。
• パラメトリック加熱を1つのトラップ軸に沿って行い、その後の熱化率を測定するためのクロス次元緩和実験を実施。
• 状態遷移と STIRAP を用いた飛行時間イメージングにより、分子クラウドを検出するとともに、温度および密度の時間発展を抽出。
• 弾性熱化 (Gth) と非弾性損失 (KL) を含むモデルを用いて、温度および密度の減衰をフィットし、場のスイープ中のトラップポテンシャルの変化に対しても補正を施した。
• 合成データセットを用いたブートストラップ法により、Ncoll および KL のフィットパラメータと信頼区間を推定し、系統的ドリフトに対してロバストであることを保証。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 三次元における共鳴遮蔽が、超低温極性分子における二体損失を十分に低減できるか。これにより、弾性双極子散乱の観測が可能になるか。
• RQ2 双極子方向を衝突軸に対して変化させた場合、双極子相互作用の異方性が熱化率にどのように現れるか。
• RQ3 遮蔽により弾性衝突が支配的になると仮定した場合、三次元バルク分子量子ガスにおける蒸発冷却はどの程度達成可能か。
• RQ4 遮蔽条件下における観測された弾性衝突率は、普遍的双極子散乱理論と整合的か。
• RQ5 この遮蔽メカニズムは、他の分子種に対しても一般化可能であり、制御可能で長寿命な双極子量子ガスを実現できるか。

主な発見

• 遮蔽場 |ES| = 12.72 kV/cm において、二体損失が30倍低減され、密度 2.5 × 10^11 cm⁻³ における分子寿命は約10秒に延びた。
• 遮蔽場における弾性対非弾 性衝突比 g は12に測定され、弾性過程の支配的であることが確認された。
• 双極子方向を加熱方向に対して回転させた際、熱化率が2.5倍変化した。これは、異方的双極子散乱の直接的証明である。
• フィットされた二体損失係数 KL は 3.8(3) × 10⁻⁷ cm³s⁻¹K⁻¹ であり、わずかな角度依存性を示し、残留場勾配や高次部分波からの摂動が最小限であることを示唆した。
• 三次元で蒸発冷却が成功した。これは、粒子数減少に伴い位相空間密度が増加することで裏付けられ、高い g 要因のおかげで実現された。
• 観測された熱化ダイナミクスは、普遍的双極子散乱理論と整合的であり、モデルおよび遮蔽メカニズムの有効性が妥当であることが検証された。