[논문 리뷰] Long lifetimes in optical ion traps

Alexander Lambrecht, Julian Schmidt외 4명|arXiv (Cornell University)|2016. 09. 21.

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 138Ba+ 이온을 근적외선 도플러 트랩에서 3초 동안 라디오파(_RF_) 없이 장수명 광학 포획을 구현하였고, 효율적인 리펌핑을 통해 가시광선 도플러 트랩에서 수명을 두 배수 개선하여 166 ms로 향상시켰다. 이는 가열과 광자 산산이 산란을 최소화함으로써 양자 시뮬레이션과 하이브리드 이온-원자 시스템에 필수적인 장수명 양자 얽힘을 가능하게 한다.

ABSTRACT

We report on single Barium ions confined in a near-infrared optical dipole trap for up to three seconds in absence of any radio-frequency fields. Additionally, the lifetime in a visible optical dipole trap is increased by two orders of magnitude as compared to the state-of-the-art using an efficient repumping method. We characterize the state-dependent potentials and measure an upper bound for the heating rate in the near-infrared trap. These findings are beneficial for entering the regime of ultracold interaction in atom-ion ensembles exploiting bichromatic optical dipole traps. Long lifetimes and low scattering rates are essential to reach long coherence times for quantum simulations in optical lattices employing many ions, or ions and atoms.

연구 동기 및 목표

• 라디오파(RF) 필드 없이 장수명 광학 포획을 실현하여 RF 마이크로모션에 기인한 제한 요소를 극복한다.
• 효율적인 리펌핑을 통해 광학 도플러 트랩 내 이온 수명을 연장하고 광자 산산이 산란과 잠재 상태 인구를 감소시킨다.
• 상태에 의존하는 광학 포텐셜을 특성화하고 근적외선 트랩에서의 가열 속도 상한을 측정한다.
• 이중색광 광학 도플러 트랩을 통해 초냉각 이온-원자 상호작용 및 확장 가능한 양자 시뮬레이션의 영역을 개척한다.
• 가열과 손실 메커니즘을 최소화하여 하이브리드 이온-원자 시스템에서 동반 냉각과 장수명 양자 얽힘을 지원한다.

제안 방법

• 단일 138Ba+ 이온을 분할형 선형 파울 트랩에 포획하고, RF 구속 없이 1064 nm(NIR) 또는 532 nm(VIS) 광학 도플러 트랩으로 이동시켰다.
• 이온을 잘 정의된 상태로 초기화하기 위해 도플러 냉각과 잔류장 보정을 사용했다.
• 가시광선(532 nm)과 근적외선(1064 nm) 레이저를 조합한 이중색광 광학 도플러 트랩을 구현하여 상태에 의존하는 포텐셜을 생성했다.
• 잠재 상태 D 상태에 대한 인구를 감소시켜 손실과 가열을 최소화하기 위해 효율적인 리펌핑 방식을 도입했다.
• 광학 포획 지속 시간과 레이저 강도에 따라 이온의 생존 확률을 측정하여 가열 속도를 유추했다.
• 반경자르기 모델을 적용하여 초기 및 상승된 온도를 추출하고, 가열 속도 상한을 도출했다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 단일 138Ba+ 이온은 1064 nm(NIR) 광학 도플러 트랩에서 라디오파 없이 몇 초 동안 안정적으로 포획될 수 있는가?
• RQ2 효율적인 리펌핑은 기존 최고 수준의 성능 대비 가시광선 광학 도플러 트랩에서 손실을 줄이고 수명을 얼마나 연장하는가?
• RQ3 근적외선 광학 도플러 트랩에서의 가열 속도 상한은 얼마이며, 이는 동반 냉각에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 이중색광 광학 트랩에서의 상태에 의존하는 포텐셜은 이온과 원자에 대한 선택적 제어를 얼마나 가능하게 하는가?
• RQ5 장수명 광학 이온 포획은 확장 가능한 양자 시뮬레이션과 장수명 양자 얽힘을 가진 하이브리드 이온-원자 시스템을 가능하게 하는가?

주요 결과

• 단일 138Ba+ 이온이 라디오파 없이 근적외선(1064 nm) 광학 도플러 트랩에서 최대 3초 동안 포획되었다.
• 가시광선(532 nm) 도플러 트랩에서 이온 수명은 166 ms로 연장되었으며, 이는 이전 최고 성능 대비 두 배수 개선된 결과이다.
• 근적외선 트랩에서의 가열 속도 상한은 (350 ± 70) μK/s로 측정되어 동반 냉각에 적합한 낮은 열 노이즈를 나타낸다.
• 상태에 의존하는 광학 포텐셜은 실험적으로 특성화되었으며, S1/2 기저 상태에 깊은 구속이 있음을 확인했다.
• 10 ms 지연 후 온도가 (320 ± 30) μK에서 (500 ± 60) μK로 상승하여, 레이저 강도 변동에 기인한 가열과 일치함을 확인했다.
• 손실과 가열을 최소화한 광학 포획을 통해 장수명 양자 얽힘 기반의 양자 시뮬레이션과 하이브리드 이온-원자 시스템의 실현 가능성을 뒷받침한다.