[논문 리뷰] Controlling a diatomic shape resonance with non-resonant light

Ruzin Ağanoğlu, Mikhail Lemeshko외 3명|arXiv (Cornell University)|2011. 05. 04.

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates참고 문헌 4인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 비공진 레이저 빛을 사용하여 이원자 형상 공진을 트랩 온도에 맞게 에너지를 이동시켜, 짧은 간격의 원자 쌍의 열적 분포를 향상시키는 방법을 제안한다. 원자 쌍의 이방성 분극화율을 이용함으로써, 이 방법은 쌍 밀도를 최대 두 개의 지수만큼 증가시킨다 — 87Rb의 경우 100 μK에서 10배, 88Sr의 경우 20 μK에서 100배로 증가하며, 이는 동적 또는 정적 제어 기법을 통해 더 효율적인 광결합을 가능하게 한다.

ABSTRACT

A (diatomic) shape resonance is a metastable state of a pair of colliding atoms quasi-bound by the centrifugal barrier imposed by the angular momentum involved in the collision. The temporary trapping of the atoms' scattering wavefunction corresponds to an enhanced atom pair density at low interatomic separations. This leads to larger overlap of the wavefunctions involved in a molecule formation process such as photoassociation, rendering the process more efficient. However, for an ensemble of atoms, the atom pair density will only be enhanced if the energy of the resonance comes close to the temperature of the atomic ensemble. Herein we explore the possibility of controlling the energy of a shape resonance by shifting it toward the temperature of atoms confined in a trap. The shifts are imparted by the interaction of non-resonant light with the anisotropic polarizability of the atom pair, which affects both the centrifugal barrier and the pair's rotational and vibrational levels. We find that at laser intensities of up to $5 imes 10^{9}$ W/cm$^2$ the pair density is increased by one order of magnitude for $^{87}$Rb atoms at $100 μ$K and by two orders of magnitude for $^{88}$Sr atoms at $20 μ$K.

연구 동기 및 목표

• 초냉각 원자 가스에서 원자 쌍 간의 짧은 원자 간격에서의 열적 분포를 증가시켜 광결합의 효율성을 높이는 것.
• 일반적으로 초냉각 시스템에서 형상 공진이 너무 높은 에너지를 가진 나머지, 일반적인 트랩 온도에서 상당한 분포를 가지지 못하는 제한을 극복하는 것.
• 공진 빛이나 특정 원자 수준 구조에 의존하지 않고 형상 공진의 에너지 위치를 능동적으로 제어할 수 있는 방법을 개발하는 것.
• 비공진 레이저 필드를 통해 형상 공진을 조절 가능하게 하여 이진 반응의 인위적 제어를 가능하게 하는 것.
• 피코초 펄스 또는 일정한 필드를 사용한 실험적 설정에서 공진 제어를 구현하기 위한 동적 및 정적 기법을 탐색하는 것.

제안 방법

• 이방성 분극화율을 가진 이원자 원자 쌍이 비공진 빛과 상호작용할 때 발생하는 원심 장벽의 이동과 회전-진동 에너지 준위의 변화를 모델링한다.
• 비공진 레이저 필드가 존재하는 조건에서 형상 공진을 기술하기 위해 1차원 효과적 잠재력 모델을 사용하며, 필드를 외부 힘으로 간주하여 효과적 잠재력 장벽을 수정한다.
• 수정된 잠재력 하에서 열적 평균 쌍 밀도를 레이저 강도와 필드 주파수의 함수로 계산하며, 시스템이 열적 평형에 도달한다고 가정한다.
• 동적 및 정적 제어 기법을 모두 조사한다: 동적 기법에서는 장시간 비공진 레이저 펄스가 공진 에너지를 단절적으로 이동시키며, 정적 기법에서는 일정한 필드를 적용하여 새로운 평형 분포를 설정한다.
• 짧은 프로브 펄스(예: 피코초)를 사용하여 짧은 거리에서 증가된 쌍 밀도를 검출하며, 이는 회전 및 이동 동역학보다 빠르게 작동하도록 보장한다.
• 강한 필드 존재 시에 겹치는 공진(예: 88Sr에서 J=4 및 J=8) 간의 피하기 교차를 고려하며, 1차원 근사 이상의 2차원 회전-진동 운동 처리가 필요하다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 비공진 빛을 사용하여 이원자 형상 공진의 에너지를 트랩 온도에 맞추어 이동시켜 짧은 거리의 원자 쌍의 열적 분포를 향상시킬 수 있는가?
• RQ2 비공진 레이저 조사 하에서 이방성 분극화율이 형상 공진의 이동을 어떻게 매개하는가?
• RQ3 실험적으로 실현 가능한 레이저 강도에서 다양한 원자 종(예: 87Rb 및 88Sr)에 대해 열적으로 평균된 쌍 밀도의 최대 향상 정도는 얼마인가?
• RQ4 장시간 비공진 펄스에 의해 공진이 단절적으로 따라잡힐 수 있는 조건은 무엇이며, 이는 동적 제어의 실현 가능성에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ5 정적 비공진 필드를 사용하여 원자 클라우드를 사전 조절하여 이후 광결합을 위한 쌍 밀도를 최대화할 수 있는가?

주요 결과

• 87Rb 원자에 대해 100 μK에서 최대 5×10⁹ W/cm²의 비공진 레이저 강도는 열적으로 평균된 쌍 밀도를 10배로 증가시킨다.
• 88Sr 원자에 대해 20 μK에서 동일한 레이저 강도는 쌍 밀도를 100배로 증가시키며, 두 개의 지수만큼의 향상이 이루어진다.
• 레이저에 의해 유도된 이동이 형상 공진 에너지가 트랩 온도와 일치할 때 최대화되며, 이는 최적의 제어 조건을 나타낸다.
• 87Rb의 경우, 그 회전 주기(~2 μs)가 공진 수명(~100 ns)보다 길기 때문에 장시간 비공진 펄스에 의한 공진의 단절적 따라잡기는 실현 가능하지 않으며, 이는 동적 제어 효율을 제한한다.
• 88Sr의 경우, 짧은 회전 주기(~350 ns)와 더 긴 수명(~500 ns) 덕분에 단절적 제어가 더 실현 가능하며, 이는 동적 향상의 잠재력을 뒷받침한다.
• J=4 및 J=8의 겹치는 공진이 존재하는 시스템(예: 88Sr)에서는 강한 레이저 필드가 피하기 교차를 유도하며, 이로 인해 좁은 공진의 특성이 더 넓은 공진으로 이행되어 수명과 쌍 밀도 기여도가 증가한다.