[논문 리뷰] All-optical production of a superfluid Bose-Fermi mixture of $^6$Li and $^7$Li

Takuya Ikemachi, Aki Ito외 5명|arXiv (Cornell University)|2016. 06. 30.

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates참고 문헌 31인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 페르미온인 $^6$Li와 보존인 $^7$Li를 Feshbach 공명 조절 시스템에서 증발 냉각과 공감 냉각을 통해 처음으로 광학적 방법으로 초순수 상태의 보스-페르미 혼합물을 생성함을 보여준다. 효율적인 페르미온 증발 냉각과 냉각된 페르미온과의 상호작용를 통한 보존 냉각을 활용하여 저자들은 $3 \times 10^4$ 개의 $^6$Li와 $5 \times 10^5$ 개의 $^7$Li 원자를 포함한 초순수 상태를 달성하였으며, 이중 모드 운동량 분포와 분할된 BEC를 통해 초순수 혼합물의 형성을 확인하였다.

ABSTRACT

We report the first all-optical production of a superfluid Bose-Fermi mixture with two spin states of $^6$Li (fermion) and one spin state of $^7$Li (boson) under the resonant magnetic field of the s-wave Feshbach resonance of the fermions. Fermions are cooled efficiently by evaporative cooling and they serve as coolant for bosons. As a result, a superfluid mixture can be achieved by using a simple experimental apparatus and procedures, as in the case of the all-optical production of a single Bose-Einstein condensate (BEC). We show that the all-optical method enables us to realize variety of ultracold Bose-Fermi mixtures.

연구 동기 및 목표

• 자기장이나 복잡한 적재 절차 없이 초순수 보스-페르미 혼합물을 생산하기 위한 단순한 광학적 방법을 개발하기 위해.
• Feshbach 공명 조절 시스템에서 페르미온이 보존을 효과적으로 공감 냉각할 수 있는지를 보여주기 위해.
• 오직 광학 트랩과 레이저를 사용하여 $^6$Li(두 개의 스핀 상태)와 $^7$Li(한 개의 스핀 상태)의 혼합물에서 초순수 상태를 달성하기 위해.
• 향후 다체 물리 실험을 위해 스핀 상태, 입자 수, 냉각 역학에 대한 높은 제어 능력을 제공하기 위해.

제안 방법

• 1070 nm 파장의 고출력(HP-ODT) 및 저출력(LP-ODT) 레이저 빔을 사용한 이중 광학 디폴드 트랩(ODT) 시스템을 활용하여 $^6$Li와 $^7$Li 원자를 모두 포획하였다.
• 2D-MOT에서 ODT로 원자를 적재하기 위해, 냉각 및 재진동 레이저를 조절하여 동시에 3차원 자기광학 트랩(3D-MOT)을 구현하였다.
• ODT에서 증발 냉각을 적용하였으며, $^6$Li 페르미온은 산란 확률 증가로 인해 효율적으로 냉각되었고, $^7$Li 보존은 냉각된 페르미온과의 충돌을 통해 공감 냉각을 통해 냉각되었다.
• Feshbach 공명을 832.18 G에서 조절하여 $^6$Li-$^6$Li, $^6$Li-$^7$Li, $^7$Li-$^7$Li의 산란 길이를 제어할 수 있도록 하였다.
• 60초의 1/e 수명 동안 장기간 포획을 유지하기 위해 LP-ODT 레이저 출력을 피드백를 통해 안정화하였다.
• 초순수성과 BEC 형성 여부를 확인하기 위해 운동량 분포 및 현장 밀도 분포를 측정하였으며, 분할된 BEC 포함.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 자기장이나 복잡한 적재 절차 없이 오직 광학 트랩과 레이저를 사용하여 초순수 보스-페르미 혼합물을 생성할 수 있는가?
• RQ2 Feshbach 공명 조절 시스템에서 페르미온이 보존을 얼마나 효과적으로 공감 냉각할 수 있는가?
• RQ3 페르미온 냉각이 존재하는 조건에서 BEC 형성을 달성하기 위해 필요한 최소 초기 보존 대 페르미온 비율은 얼마인가?
• RQ4 운동량 분포와 현장 밀도 분포는 초순수성과 분할된 BEC의 존재를 어떻게 드러내는가?
• RQ5 $^7$Li-$^7$Li의 산란 길이를 트랩된 혼합물에서 관측된 BEC 크기와 형태로부터 결정할 수 있는가?

주요 결과

• 초기 $R_{7/6}^{\rm ini} = 0.12$ 조건에서 $3 \times 10^4$ 개의 $^6$Li와 $5 \times 10^5$ 개의 $^7$Li 원자를 포함한 초순수 보스-페르미 혼합물이 성공적으로 생성되었으며, 두 종류의 입자에서 이중 모드 운동량 분포를 통해 확인되었다.
• 시스템은 $^7$Li의 $m_F = -1$ 상태에서 분할된 BEC를 나타내었으며, 축 방향 크기 $w_{\rm BEC} = 6.1(3)$ $\mu$m로 측정되어 $^7$Li-$^7$Li 상호작용이 인력임을 시사하였다.
• 832.18 G에서 $^7$Li-$^7$Li의 산란 길이가 $a_{\rm bb}^{-1} = -3.2(3)a_0$로 결정되었으며, 이는 음수 산란 길이와 고조화 진동자 길이 이하의 BEC를 의미한다.
• 공감 냉각은 $^7$Li 냉각에 필수적이었으며, $^6$Li 없이 냉각을 시도한 경우 단계 공간 밀도가 증가하지 않았다. 이는 페르미온이 매개하는 냉각임을 확인하였다.
• $R_{7/6}^{\rm ini} > 0.02$ 조건에서 유한한 쌍 상관 함수가 관측되어 혼합물 내 초순수성의 직접적 증거를 제공하였다.
• 관측된 분할된 BEC는 냉각 과정이 과도한 냉각과 유사하게 이루어지는 동안 자발적으로 Kibble-Zurek 솔리톤이 형성된 것으로 기인되었다.