[논문 리뷰] Loss of ultracold RbCs molecules via optical excitation of long-lived two-body collision complexes

Philip D. Gregory, Jacob A. Blackmore외 2명|arXiv (Cornell University)|2020. 02. 07.

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates인용 수 20

한 줄 요약

이 논문은 광학 트랩에서 초냉각 87Rb133Cs 분자에서의 주요 손실 메커니즘으로 장수명의 이체 충돌 복합체의 광학적 자극을 규명한다. 저자들은 분자를 75%의 시간 동안 어두운 상태로 유지하기 위해 정사각형 파형 강도 변조를 사용하여 어둠의 상태에서 복합체 수명을 0.53 ± 0.06 ms로 측정하고, 1550 nm에서 강도로 정규화된 자극률을 3⁺⁴₋₂ × 10³ W⁻¹cm²s⁻¹로 결정하여 일반적인 트랩 조건 하에서 광유도 손실이 지배적임을 확인한다.

ABSTRACT

We show that the lifetime of ultracold ground-state $^{87}$Rb$^{133}$Cs molecules in an optical trap is limited by fast optical excitation of long-lived two-body collision complexes. We partially suppress this loss mechanism by applying square-wave modulation to the trap intensity, such that the molecules spend 75% of each modulation cycle in the dark. By varying the modulation frequency, we show that the lifetime of the collision complex is $0.53\pm0.06$ ms in the dark. We find that the rate of optical excitation of the collision complex is $3^{+4}_{-2} imes10^{3}$ W$^{-1}$ cm$^2$ s$^{-1}$ for $λ= 1550$ nm, leading to a lifetime of <100 ns for typical trap intensities. These results explain the two-body loss observed in experiments on nonreactive bialkali molecules.

연구 동기 및 목표

• 초냉각 87Rb133Cs 분자가 광학 격자에 갇힐 때 지배적인 손실 메커니즘을 규명하는 것.
• 장수명의 충돌 복합체가 트랩 빛에 의한 광학적 자극으로 파괴된다는 가설을 검증하는 것.
• 어둠의 상태에서 충돌 복합체의 수명을 측정하고 광학적 자극률을 정량화하는 것.
• 광학 트랩의 강도를 변조하여 이체 손실을 억제하는 것을 보여주는 것.
• 비반응성 이알칼리 분자에서 광자극의 복합체가 손실을 지배한다는 이론적 예측을 검증하는 것.

제안 방법

• 분자가 각 사이클의 75% 동안 어두운 상태에 있도록 정사각형 파형 강도 변조를 적용하여 충돌 복합체의 광학적 자극을 억제한다.
• 변조 주파수를 변화시켜 분자의 손실 감쇠 속도를 통해 어둠의 상태에서의 충돌 복합체 수명을 측정한다.
• 변조 중 연속파(CW) 빛이 있는지 여부를 비교하여 손실률의 강도 의존성을 측정한다.
• 강도 의존성 데이터에 적합을 통해 식 N_mod+CW / N_mod = 1 + k_l * I * τ_c 를 사용하여 강도로 정규화된 자극률 k_l 를 산출한다.
• 밀도 상태 및 전자 구조 기반 예측과 측정된 복합체 수명과 자극률을 비교하여 이론 모델을 검증한다.
• 이 방법은 제어 가능하고 실험적으로 접근 가능한 방식으로 복합체 수명과 자극 동역학을 탐색할 수 있게 한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 비반응성 특성을 지닌 초냉각 87Rb133Cs 분자에서 광학 트랩에서의 지배적인 손실 메커니즘은 무엇인가요?
• RQ2 어둠의 상태에서 이체 충돌 복합체의 수명은 얼마나 되며, 트랩 강도에 따라 어떻게 달라지나요?
• RQ3 1550 nm에서 충돌 복합체의 강도로 정규화된 광학적 자극률은 얼마인가요?
• RQ4 트랩 강도를 변조하여 어두운 기간을 만들면 손실률을 억제할 수 있나요?
• RQ5 측정된 자극률은 비반응성 분자계에서 광자극 과정이 삼체 충돌보다 지배적임을 확인합니까?

주요 결과

• 87Rb133Cs 충돌 복합체의 어둠의 상태에서의 수명은 0.53 ± 0.06 ms로 측정되었다.
• 1550 nm에서 복합체의 강도로 정규화된 광학적 자극률은 3⁺⁴₋₂ × 10³ W⁻¹cm²s⁻¹이다.
• 일반적인 광학 트랩 강도 조건에서는 자극률이 매우 높아 포화 상태에 이르며, 이로 인해 광자극 수명은 100 ns 미만이 된다.
• 관측된 손실는 비반응성 이알칼리 분자에서 복합체의 광자극이 삼체 충돌 과정보다 지배적이라는 이론적 예측과 일치한다.
• 강도 변조를 통해 어둠의 기간 동안 복합체가 자유롭게 붕괴되도록 하여 손실가 억제됨을 확인하여 메커니즘을 뒷받침한다.
• 결과는 Christianen 등(2019b)이 제안한 메커니즘을 검증하며 초냉각 분자 충돌 이론 모델의 기준점이 된다.