[논문 리뷰] Large spin relaxation rates in trapped submerged-shell atoms

Colin B. Connolly, Yat Shan Au외 3명|Digital Access to Scholarship at Harvard (DASH) (Harvard University)|2009. 09. 01.

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates참고 문헌 1인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 잠긴 전자껍질을 가진 먨륨과 툄륨 원자에서 큰 스핀 비탄성률을 측정한다. 약 500 mK에서 각각 $3.0\times10^{-10}$ cm³/s와 $1.1\times10^{-10}$ cm³/s의 비율 상수를 관측하였으며, 이는 S-상태 원자보다 2~3개 정도 큰 값이다. 이는 스핀 교환 또는 이질적 상호작용이 아닌 전기적 이방성에 의해 빠른 스핀 비탄성이 유도됨을 시사하며, 이는 자기장 트랩에서의 증발 냉각이 이러한 시스템에 매우 비효율적임을 의미한다.

ABSTRACT

Spin relaxation due to atom-atom collisions is measured for magnetically trapped erbium and thulium atoms at a temperature near 500 mK. The rate constants for Er-Er and Tm-Tm collisions are 3.0 times 10^-10 cm^3 s^-1 and 1.1 times 10^-10 cm^3 s^-1, respectively, 2-3 orders of magnitude larger than those observed for highly magnetic S-state atoms. This is strong evidence for an additional, dominant, spin relaxation mechanism, electrostatic anisotropy, in collisions between these "submerged-shell" L > 0 atoms. These large spin relaxation rates imply that evaporative cooling of these atoms in a magnetic trap will be highly inefficient.

연구 동기 및 목표

• 자기장 트랩에 갇힌 루비늄과 툄륨 원자 간의 이체 충돌에서 스핀 비탄성률을 측정하는 것.
• 희토류–헬륨 충돌에서 관측된 전기적 이방성의 차폐 효과가 희토류–희토류 충돌에서도 스핀 비탄성을 억제하는지 조사하는 것.
• 이러한 무거운, 매우 강한 자기성을 가진 원자들에 대해 자기장 트랩에서의 증발 냉각이 가능한지 평가하는 것.
• 잠긴 전자껍질 특성이 원자-원자 시스템에서 비탄성 충돌을 억제하는가에 대한 열린 문제를 해결하는 것. 이는 원자-헬륨 시스템에서 관측된 바와 동일한 경향을 보일 것인가?

제안 방법

• 약 500 mK에서 $^4$He 버퍼 기체에 Er 및 Tm 금속 필름을 레이저 에이블레이션하여 자기장에 갇힌 원자 군집을 생성한다.
• 초전도성 반-헬름홀츠 코ils에서 유도된 자기 기하학적 필드는 최대 3.7 T의 트랩 깊이를 만들어내며, 스핀에 의존하는 잠재력으로 원자를 구속한다.
• J=6→7, J=6→5 (Er), J=7/2→5/2 (Tm) 전이에 대한 레이저 흡수 스펙트로스코피를 통해 m_J 준위의 분포를 모니터링한다.
• 세포 온도와 초기 헬륨 적재량 조절을 통해 버퍼 기체 밀도를 제어하여, 헬륨 충돌에 의한 손실이 최소화되도록 한다.
• 시간에 따른 m_J = J 상태의 분포 감쇠에서 스핀 비탄성률을 추출하며, 열적 자극 및 선택 규칙에 따른 보정을 수행한다.
• 다양한 초기 m_J 분포와 선택 규칙를 가진 비탄성 붕괴 시뮬레이션을 통해 관측된 손실률 g_{in}으로부터 진정한 스핀 비탄성률 g_{sr}을 유추한다.

Figure 1: (color online) Diagram of the buffer-gas trapping apparatus. A cryogenic valve separates the trapping region of the experimental cell from an additional pumping region and can be used to regulate the buffer-gas density.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Er 및 Tm과 같은 잠긴 전자껍질 희토류 원자들이 원자-원자 충돌에서 원자-헬륨 충돌과 마찬가지로 스핀 비탄성을 억제하는가?
• RQ2 S-상태 대칭성이 없는 조건에서 L≠0 희토류 원자 간 충돌에서 스핀 비탄성의 주요 메커니즘은 무엇인가?
• RQ3 잠긴 전자껍질 특성에도 불구하고 Er–Er 및 Tm–Tm 충돌에서 전기적 이방성이 스핀 비탄성을 얼마나 주도하는가?
• RQ4 관측된 스핀 비탄성률을 고려할 때, 이러한 원자들에 대해 자기장 트랩에서 증발 냉각이 효과적으로 작용할 수 있는가?
• RQ5 측정된 스핀 비탄성률은 이론적 예측과 탄성 충돌 한계와 어떻게 비교되는가?

주요 결과

• Er–Er 충돌의 스핀 비탄성률 상수는 약 500 mK에서 $3.0\times10^{-10}$ cm³/s이며, Tm–Tm 충돌은 $1.1\times10^{-10}$ cm³/s이다.
• 이 값들은 S-상태 원자에서 관측된 값보다 2~3개 정도 크며, 스핀 교환 또는 이질적 상호작용을 초월하는 주요 비탄성 메커니즘이 있음을 시사한다.
• g_{sr}/g_{in} 비율은 $2.0^{+1.0}_{-0.5}$로 추정되며, 이는 관측된 손실률이 진정한 스핀 비탄성률을 낮게 평가하고 있음을 의미한다.
• 최대 탄성 충돌률 g_{el}은 약 $8\times10^{-10}$ cm³/s로 추정되며, 이는 g_{el}/g_{sr} \lesssim 10임을 의미한다. 이는 증발 냉각의 효율성을 심각하게 제한한다.
• 결과적으로, Er–Er 및 Tm–Tm 충돌에서는 잠긴 전자껍질 특성에도 불구하고 전기적 이방성이 억제되지 않으며, Er–He 또는 Tm–He 시스템과는 다름을 확인하였다.
• 이는 잠긴 전자껍질 효과가 원자-원자 충돌에서 비탄성 과정을 항상 억제하지는 않으며, 이러한 원자들이 자기장 트랩에서 증발 냉각에 적합하다는 가정을 도전하는 결과이다.

Figure 2: (color online) (a) Absorption spectrum of Er on the $400.9$ nm ( $J=6\rightarrow 7$ ) transition in a $0.99$ T ( $4.6$ K) deep magnetic trap at 530 mK with peak density of $4.6\times 10^{10}$ cm -3 . The $\Delta m_{J}=+1$ magnetically broadened peaks of the dominant isotopes are labeled. T