[論文レビュー] Ultracold Molecular Assembly

Lee R. Liu, Jessie T. Zhang+5 more|arXiv (Cornell University)|Jan 11, 2017

Characterization and Applications of Magnetic Nanoparticles被引用数 9

ひとこと要約

本論文は、レーザー冷却、光学トラップ、ラマンサイドバンド冷却、およびコherent STIRAP移行を用いて、1原子ずつ単一の超低温分子を構築する画期的な「超低温分子アセンブラ」を提案する。この手法により、単一セシウム原子の3次元運動的基底状態冷却の忠実度が84%に達し、65%を超える忠実度で高精度な分子状態移行が可能となり、量子制御された超低温化学および量子シミュレーションへの道が開かれる。

ABSTRACT

Chemical reactions can be surprisingly efficient at ultracold temperatures ( < 1mK) due to the wave nature of atoms and molecules. The study of reactions in the ultracold regime is a new research frontier enabled by cooling and trapping techniques developed in atomic and molecular physics. In addition, ultracold molecular gases that offer diverse molecular internal states and large electric dipolar interactions are sought after for studies of strongly interacting many-body quantum physics. Here we propose a new approach for producing ultracold molecules in the absolute internal and motional quantum ground state, where single molecules are assembled one by one from individual atoms. The scheme involves laser cooling, optical trapping, Raman sideband cooling, and coherent molecular state transfer. As a crucial initial step, we demonstrate quantum control of constituent atoms, including 3D ground-state cooling of a single Cs atom, in a simple apparatus. As laser technology advances to shorter wavelengths, additional atoms will be amenable to laser-cooling, allowing more diverse, and eventually more complex, molecules to be assembled with full quantum control.

研究の動機と目的

• 精密な研究を目的とした、単一超低温分子をその絶対的量子基底状態に生成するスケーラブルなプラットフォームの開発。
• 量子情報および多体物理学に不可欠な、内部状態および運動状態を完全に制御した分子の準備という課題の克服。
• 反応物の量子状態を正確に制御し、生成物を単一分子レベルで検出することで、超低温化学反応の明確な解明を可能にする。
• 多様な原子の冷却技術の進展を活用して、超低温分子物理学の対象範囲を広げること。
• 調整可能な双極子相互作用を有する長寿命分子量子ビットを用いた、量子シミュレーションおよび量子コンピューティングのための柔軟で個別にアドレス可能なシステムの構築。

提案手法

• ナトリウムおよびセシウム原子を磁気光学トラップ（MOT）でレーザー冷却し、衝突遮断を用いて個々の光学トラップに1原子のみを保持する。
• ラマンサイドバンド冷却を用いて単一セシウム原子の3次元基底状態冷却を実現し、運動的基底状態の忠実度が84%に達する。
• 2つの光学トラップを併合して2原子を近接に配置し、遠く離れた周波数のレーザーを用いた2光子ラマン過程により、弱い結合分子を形成する。
• ラマン過程は、放射能放出（最適なデチューニング時で1.2%）と相対的スターリングシフト（15 kHz）を最小限に抑えるように設計されており、レーザー強度安定性が0.5%未満を必要とする。
• 905 nmおよび635 nmレーザーを用いたSTIRAP（励起ラマン断熱通過）スキームにより、弱い結合三重項分子を振動・回転基底状態にコherentに移行させる。
• 両レーザーを1つの高ファインネスなキャビティにロックすることで、コherenceを維持し、分子生成は逆方向のSTIRAPと蛍光イメージングにより98%の忠実度で確認される。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 単一超低温分子を、内部状態および運動状態の量子状態を完全に制御して、原子1個ずつでアセンブル可能か？
• RQ2 光学トラップ内の単一原子の3次元運動的基底状態冷却の達成可能な忠実度は何か？ そして、最適化はどのように可能か？
• RQ3 ラマン媒介分子形成過程において、放射能放出とスターリングシフトをどのように最小化できるか？
• RQ4 高忠実度のコherent移行を弱い結合分子状態から振動・回転基底状態に可能にするスペクトロスコピックおよび技術的条件は何か？
• RQ5 2次元光学トラップアレイにおいて、個別制御および読み取りが可能な状態で、複数の単一分子をスケーラブルに生成できるか？

主な発見

• 著者らは、光学トラップ内に閉じ込められた単一セシウム原子の3次元基底状態冷却を実験的に84%の忠実度で達成し、分子アセンブラにとっての重要なマイルストーンを示した。
• 2光子ラマン過程は数値的に最適化され、デチューニングΔ = 2π × −63.468 THzで最小放射能放出確率1.2%、π時間10.7 msを達成した。
• 振動準位ν′′ = 24および25間の相対的スターリングシフトは15 kHzと計算され、コherenceを維持するにはレーザー強度安定性が0.5%未満である必要がある。
• 905 nmおよび635 nmレーザーを用いたSTIRAP移行スキームが、弱い結合三重項状態から振動・回転基底状態への高効率なコherent移行に実現可能であると特定された。
• 全般的な単一分子生成忠実度は65%を超えると推定され、逆方向STIRAPと蛍光イメージングにより98%の忠実度で確認可能である。
• 本手法は2次元光学トラップアレイへスケーラブルであり、リアルタイムでの再設定と個別制御が可能な並列的単一分子生成が可能である。