[논문 리뷰] Collisionally Stable Gas of Bosonic Dipolar Ground State Molecules

Niccolò Bigagli, Claire Warner외 5명|arXiv (Cornell University)|2023. 03. 29.

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates참고 문헌 61인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 강한 두극자성을 띤 NaCs 분자로 구성된 보스론적 기체에서 비탄성 손실을 200배 이상 억제하기 위해 마이크로파 셰딩을 구현하여 수명을 1.0(1) s로 연장함을 보여준다. 이 기술은 증발 냉각을 가능하게 하여 위상공간 밀도를 20배 증가시키고, 36(5) nK에 도달함으로써 시스템을 양자 혼성도의 임계선에 놓으며, 두극자 분자의 보스-아인슈타인 응축을 향한 길을 열어준다.

ABSTRACT

Stable ultracold ensembles of dipolar molecules hold great promise for many-body quantum physics, but high inelastic loss rates have been a long-standing challenge. Recently, it was shown that gases of fermionic molecules can be effectively stabilized through external fields. However, many quantum applications will benefit from molecular ensembles with bosonic statistics. Here, we stabilize a bosonic gas of strongly dipolar NaCs molecules against inelastic losses via microwave shielding, decreasing losses by more than a factor of 200 and reaching lifetimes on the scale of 1 second. We also measure high elastic scattering rates, a result of strong dipolar interactions, and observe the anisotropic nature of dipolar collisions. Finally, we demonstrate evaporative cooling of a bosonic molecular gas to a temperature of 36(5) nK, increasing its phase-space density by a factor of 20. This work is a critical step towards the creation of a Bose-Einstein condensate of dipolar molecules.

연구 동기 및 목표

• 보스론적 두극자 분자 기체의 비탄성 충돌에 의한 손실를 안정화시키기 위해, 이는 페르미온적 분자보다 본질적으로 1~2개 정도의 주기 높은 손실을 가짐.
• 이전에 페르미온계에서 효과적이었던 마이크로파 셰딩을, 페르미온성의 p-파 원심력 장벽이 존재하지 않아 더 어려운 보스론적 영역으로 확장하기 위해.
• 강한 두극자 상호작용을 가진 보스론적 분자 기체에서 증발 냉각을 구현하여 양자 혼성도에 도달하기 위한 전제 조건을 만족시키기 위해.
• 마이크로파 드레싱 조건 하에서 강한 두극자 기체에서 탄성 산란의 비대칭성을 측정하고 특성화하기 위해.
• 실험적 열화학적 데이터에 적합시켜 시스템의 효과적 s-파 산란 길이를 결정하기 위해.

제안 방법

• 마이크로파 셰딩은 $\sigma^{+}$-편광된 마이크로파 필드를 사용하여 실험 프레임에서 큰 효과적 전기 dipole 모멘트를 가진 드레스드 상태 ($|+\rangle$)를 만들며, 이는 비탄성 충돌을 억제하는 반발력 장벽을 유도한다.
• 시스템은 $|J,m_J\rangle = |0,0\rangle$ 상태로 준비되며, 블루 디테uned 주파수 $\Delta$에서 마이크로파 드레싱을 통해 최대 1.3 D의 정지된 전기 dipole 모멘트를 생성함으로써 강한 두극자 상호작용이 가능하다.
• 탄성 산란 속도는 서로 다른 방향에서의 가짜 온도의 교차 열화학적 특성으로 측정되며, 충돌 결합 계수에서 유도된 열화학적 시간 상수 $k_{ij} = \frac{3}{2}\mathcal{C}_{ij}$ 를 사용한다.
• 열화학적 과정 동안의 탄성 충돌 수 $N_{\mathrm{col}}^{ij} = \frac{\bar{n}\langle v_{\mathrm{th}}\sigma_{\mathrm{el}}\rangle}{k_{ij}}$ 는 열화학적 효율성을 정량화하는 데 사용되며, 두극자 상호작용에 의해 증가한다.
• 실험 데이터에 최적의 적합을 위해 산란 행렬에 경험적 s-파 기여를 추가하고, 최적의 적합은 $a_s = 1200\, a_0$ 에서 이루어진다.
• 증발 냉각은 가장 뜨거운 원자들을 선택적으로 제거함으로써 수행되며, 위상공간 밀도를 20배 증가시키고 온도를 36(5) nK로 감소시킨다.

Figure 1: Microwave shielding of NaCs molecules. a , Illustration of the trapped molecular gas. Molecular dipoles are set into rotation by the electric field of a $\sigma^{+}$ -polarized microwave field generated by an antenna array. Vertical beams for stimulated Raman adiabatic passage (STIRAP) all

실험 결과

연구 질문

• RQ1 보스론적 기체에서 두극자 분자에서 비탄성 손실을 마이크로파 셰딩이 효과적으로 억제할 수 있는가? 이는 페르미온계에 비해 본질적으로 더 높은 손실을 가지기 때문이다.
• RQ2 마이크로파 드레싱된 분자 기체에서 두극자 상호작용은 어떻게 탄성 산란 및 열화학적 속도를 향상시키는가?
• RQ3 두극자 상호작용의 비대칭성은 서로 다른 공간 방향에서의 열화학적 역학에 어느 정도의 영향을 미치는가?
• RQ4 강한 두극자 상호작용을 가진 보스론적 분자 기체에서 증발 냉각을 달성할 수 있는가? 이는 양자 혼성도에 가까이 다가서기 위한 전제 조건이다.
• RQ5 이 시스템의 효과적 s-파 산란 길이는 얼마이며, 이는 이론적 추정치와 어떻게 비교되는가?

주요 결과

• 비탄성 손실 속도는 200배 이상 감소하여, 밀도가 높은 분자 기체(입자 간 거리 ~1 $\mu$m)의 수명이 16(2) ms에서 1.0(1) s로 증가하였다.
• 실험 프레임에서의 효과적 전기 dipole 모멘트는 최대 1.3 D에 도달하여 강한 두극자 상호작용을 가능하게 하고, 탄성 산란를 향상시켰다.
• 탄성 대 비탄성 충돌의 비율인 $\gamma = 4(1)\times10^3$ 은 탄성 과정이 지배하는 영역임을 확인한다.
• 열화학적 과정 동안의 탄성 충돌 수 $N_{\mathrm{col}}$ 는 두극자 상호작용에 의해 증가하여, s-파 한계인 2.5보다 거의 한 계급 높은 값을 기록하였다.
• 증발 냉각은 위상공간 밀도를 20배 증가시키며, 온도를 36(5) nK로 감소시켜 시스템을 양자 혼성도의 임계선에 놓였다.
• 효과적 s-파 산란 길이는 $a_s = 1200\, a_0$ 로 결정되었으며, 이는 큰 디테운딩 조건에서 관측된 열화학적 및 산란 단면적 데이터와 가장 잘 일치한다.

Figure 2: Lifetime and inelastic collisions of microwave-shielded NaCs molecules. a , Lifetime of molecular ensembles with (blue) and without (grey) shielding. The dashed lines indicate the respective $1/e$ lifetimes. Error bars show 1 $\sigma$ standard-error-of-the-mean from ten repetitions of the