[논문 리뷰] Clock-line photoassociation of strongly bound dimers in a magic-wavelength lattice

Oscar Bettermann, Nelson Darkwah Oppong외 4명|arXiv (Cornell University)|2020. 03. 24.

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 마법 파장 광학 격자에서 고정밀 시계선 광학 연합을 이용하여 $^{171}\text{Yb}$에서 깊이 바인딩된 $^{1}\text{S}_0$--$^{3}\text{P}_0$ 이중체의 직접적 광학적 생성 및 스펙트로스코피를 수행한다. 영구자기장에서의 이중체 결합 에너지가 $h \times 292.1(2)\,\text{kHz}$로 매우 크게 측정되었으며, $1300(44)\,\text{G}$에서 궤도 Feshbach 공진이 확인되었고, 격자 파장 조절을 통해 자유 상태에서 결합 상태로의 전이가 트랩 깊이에 민감하지 않게 만들 수 있음을 보여, 분자 시계 및 양자 시뮬레이션을 위한 안정적인 분자 상태 준비가 가능함을 시사한다.

ABSTRACT

We report on the direct optical production and spectroscopy of $^1\mathrm{S}_0\mbox{-}^3\mathrm{P}_0$ molecules with large binding energy using the clock transition of $^{171}\mathrm{Yb}$, and on the observation of the associated orbital Feshbach resonance near $1300\,\mathrm{G}$. We measure the magnetic field dependence of the closed-channel dimer and of the open-channel pair state energy via clock-line spectroscopy in a deep optical lattice. In addition, we show that the free-to-bound transition into the dimer can be made first-order insensitive to the trap depth by choice of the lattice wavelength. Finally, we determine the fundamental intra- and interorbital scattering lengths and probe the stability of the corresponding pair states, finding long lifetimes in both interorbital interaction channels. These results are promising both for molecular clocks and for the preparation of strongly-interacting multiorbital Fermi gases.

연구 동기 및 목표

• 노르말 시계 전이를 이용한 깊이 바인딩된 이중체를 직접 생성하고 특성화하기 위해 $^{171}\text{Yb}$에서 광학 연합을 수행한다.
• 깊은 3차원 광학 격자에서 이중체와 개방 채널 쌍 상태 에너지의 자기장 의존성을 조사한다.
• 자유 상태에서 결합 상태로의 전이가 트랩 깊이에 민감하지 않게 되는 조건을 규명하여 분자 시계 응용에 필수적인 조건을 확보한다.
• 정밀하게 상호작용 길이를 측정하고 양자 시뮬레이션을 위한 상호작용 길이를 조사한다.
• $^{171}\text{Yb}$가 강한 상호작용을 갖는 다오비탈 페르미 가스 및 분자 시계 플랫폼으로서의 잠재력을 탐색한다.

제안 방법

• 마법 파장 광학 격자를 사용하여 $^{1}\text{S}_0$ (기본 상태) 및 $^{3}\text{P}_0$ (시계 상태) 상태의 $^{171}\text{Yb}$ 원자를 동시에 포획하여 트랩 유도 이완 효과를 최소화한다.
• 자기적 스핀 상태 $|g\uparrow\rangle \rightarrow |e\uparrow\rangle$ 전이를 조절하여 $|g\uparrow g\downarrow\rangle$ 쌍에서 이중체를 양자적으로 준비하는 시계선 광학 연합을 수행한다.
• 자기장 범위 1600 G 이내에서 이중체 및 개방 채널 쌍 상태 에너지를 스펙트로스코피 측정을 통해 측정한다.
• 격자 파장을 조절하여 광학 연합 전이가 트랩 깊이에 대해 1차적으로 민감하지 않게 만들었으며, 이는 체계적 왜곡을 최소화한다.
• 낮은 자기장에서의 시계선 스펙트로스코피를 이용해 내오비탈 및 외오비탈 산란 길이를 추출한다.
• -excited 상태 이후 원자 수 감쇠를 모니터링하여 외오비탈 쌍 상태의 수명을 측정하고, 지수 감쇠 모델에 적합시켰다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 영구자기장에서 $^{171}\text{Yb}$의 $^{1}\text{S}_0$--$^{3}\text{P}_0$ 이중체 중 가장 낮은 결합 에너지를 가지는 것은 얼마인가?
• RQ2 궤도 Feshbach 공진(OFR)은 $^{171}\text{Yb}$에서 어디에 위치해 있으며, 상호작용 강도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 격자 파장을 조절하여 자유 상태에서 결합 상태로의 광학 연합 전이가 트랩 깊이에 민감하지 않게 만들 수 있는가?
• RQ4 내오비탈 및 외오비탈 산란 길이의 정밀한 값은 무엇인가?
• RQ5 3차원 광학 격자에서 외오비탈 쌍 상태는 얼마나 오래 지속되며, 주요 손실 메커니즘은 무엇인가?

주요 결과

• 영구자기장에서 $^{171}\text{Yb}$의 이중체는 $h \times 292.1(2)\,\text{kHz}$의 매우 큰 결합 에너지를 가지며, 이는 이와 유사한 시스템에서 이전에 관측된 값보다 크게 초월한다.
• 자기장 $1300(44)\,\text{G}$에서 궤도 Feshbach 공진(OFR)이 확인되었으며, 이는 단일 채널 모델과 일치하며 상호작용을 조절 가능하게 한다.
• 격자 파장을 조절함으로써 자유 상태에서 결합 상태로의 광학 연합 전이가 트랩 깊이에 대해 1차적으로 민감하지 않게 되었으며, 이는 분자 시계 안정성에 필수적인 조건을 만족한다.
• 외오비탈 산란 길이가 정밀하게 측정되었으며, 이는 반자성 스핀 교환 상호작용을 시사하며, 이는 이전 이론적 연구와 정성적으로 일치한다.
• 외오비탈 $|eg^{\pm}\rangle$ 쌍 상태의 수명은 길었으며, $35\,E_{\text{rec}}$ 격자에서 비탄성 손실률 계수의 상한값이 $\beta_{eg}^{\pm} \leq 2.6(3)\times 10^{-16}\,\text{cm}^3/\text{s}$로 측정되었다.
• $|ee\rangle$ 상태는 빠른 붕괴를 보이며, 이중체 손실 계수는 $\beta_{ee} = 4.8(2.1)\times 10^{-12}\,\text{cm}^3/\text{s}$로 측정되어, 양자 시뮬레이션에서 위치 국소화된 준비가 필요함을 시사한다.