[논문 리뷰] Microwave shielding of bosonic NaRb molecules

Junyu Lin, Guanghua Chen외 8명|arXiv (Cornell University)|2023. 04. 17.

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates참고 문헌 68인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 초냉각 23Na87Rb 분자를 위한 두체 손실을 두 개의 주요 정도 감소시키기 위해 블루디 tuned, 원형 편광된 마이크로파장을 사용한 마이크로파 차폐를 구현한다. 이로 인해 비탄성 손실률 계수는 $3 \times 10^{-12}~\mathrm{cm^3/s}$로 감소하였고, 탄성 충돌은 향상되어 효율적인 증발 냉각이 가능해졌으며, 이는 위상공간 밀도를 10배 증가시켜 초냉각 극성 분자의 보즈아인슈타인 응축을 향한 길을 열었다.

ABSTRACT

Recent years have witnessed tremendous progresses in creating and manipulating ground-state ultracold polar molecules. However, the two-body loss regardless of the chemical reactivities is still a hurdle for many future explorations. Here, we investigate the loss suppression of non-reactive bosonic $^{23}$Na$^{87}$Rb molecules with a circular polarized microwave blue-detuned to the rotational transition. We achieve suppression of the loss by two orders of magnitude with the lowest two-body loss rate coefficient reduced to $3 imes10^{-12}~ m{cm^3/s}$. Meanwhile, the elastic collision rate coefficient is increased to the $10^{-8}~ m{cm^3/s}$ level. The large good-to-bad collision ratio has allowed us to carry out evaporative cooling of $^{23}$Na$^{87}$Rb with an efficiency of 1.7(2), increasing the phase-space density by a factor of 10. With further improvements, this technique holds great promises for creating a Bose-Einstein condensate of ultracold polar molecules.

연구 동기 및 목표

• 비반응성 보스성 23Na87Rb 분자에서 빠른 두체 손실을 억제하여 양자 혼합 샘플의 형성을 방해하는 문제를 해결하기 위해.
• 블루디 tune된 원형 편광 마이크로파장을 사용하여 장거리 잠재력 장벽을 생성함으로써 단거리 복합체 형성을 방지하는 마이크로파 차폐 기법을 구현하기 위해.
• 탄성 충돌 확률을 향상시켜 효율적인 증발 냉각과 위상공간 밀도 증가를 가능하게 하기 위해.
• 손실 억제 기법을 활용하여 초냉각 극성 분자의 보즈아인슈타인 응축을 달성하는 실현 가능한 길을 보여주기 위해.

제안 방법

• 23Na87Rb 분자의 $J=0 \leftrightarrow J=1$ 회전 전이보다 낮은 주파수로 조정된 원형 편광 마이크로파장을 적용하여 효과적인 전기 dipole 모멘트를 갖는 드레스드 상태를 유도하기 위해.
• 블루디 tune된 마이크로파장을 사용하여 단거리 영역에서 $\mathrm{Na_2Rb_2}$ 복합체가 형성되는 것을 방지하는 장거리 반발력 잠재력 장벽을 생성하기 위해.
• 346 G의 자기장을 갖는 双우물 광학 드롭렛 트랩을 사용하여 분자를 구속하고 제어 가능한 마이크로파 결합을 가능하게 하기 위해.
• 열화에 따른 교차 차원 재열화 역학을 측정하여 열화에 따른 충돌 수 $N_{\mathrm{col}}$ 에서 탄성 충돌률 계수 $\beta_{\mathrm{el}}$ 를 추출하기 위해.
• 다채널 양자 결함 이론과 $S$-행렬 형식을 사용하여 산란 단면적을 수치적으로 계산하여 비탄성 및 탄성 과정을 모델링하기 위해.
• Enskog 방정식의 직접 수치적 통합을 사용하여 충돌 역학을 검증하고, DSMC 시뮬레이션과 비교하여 $N_{\mathrm{col}}$ 과 $\beta_{\mathrm{el}}$ 를 확인하기 위해.

Figure 1: Microwave shielding of 23 Na 87 Rb molecules. (a) Sketch of the experiment setup and the related energy levels. The optical dipole trap is formed by crossing two elliptical shape 1064 nm laser beams. A 346 G magnetic field in the vertical direction always presents. The blue-detuned and cir

실험 결과

연구 질문

• RQ1 블루디 tune된 원형 편광 마이크로파장을 사용한 마이크로파 차폐가 초냉각 보스성 23Na87Rb 분자에서 두체 비탄성 손실을 효과적으로 억제할 수 있는가?
• RQ2 마이크로파 차폐 조건 하에서 탄성 충돌률은 비탄성 손실률 대비 얼마나 향상되는가?
• RQ3 결과적으로 얻어진 양질의 충돌 대 비양질의 충돌 비율이 트랩에 갇힌 분자 샘플에서 효율적인 증발 냉각을 가능하게 하는가?
• RQ4 마이크로파 차폐를 통해 비탄성 손실률 계수 $\beta_{\mathrm{in}}$ 는 얼마나 정량적으로 감소되었는가?
• RQ5 마이크로파 차폐 조건 하에서 증발 냉각을 통해 초냉각 23Na87Rb 분자의 위상공간 밀도를 증가시킬 수 있는가?

주요 결과

• 두체 비탄성 손실률 계수 $\beta_{\mathrm{in}}$ 는 $3.0(3) \times 10^{-12}~\mathrm{cm^3/s}$ 수준으로 감소하여, 차폐되지 않은 조건 대비 두 개의 주요 정도 감소하였다.
• 탄성 충돌률 계수 $\beta_{\mathrm{el}}$ 는 $10^{-8}~\mathrm{cm^3/s}$ 수준으로 측정되어, 증발 냉각에 유리한 높은 양질 대 비양질 충돌 비율을 나타내었다.
• 증발 냉각이 성공적으로 구현되었으며, 효율은 1.7(2)로 측정되어 위상공간 밀도가 10배 증가하였다.
• 큰 딜레이 조건에서도 재열화에 따른 충돌 수 $N_{\mathrm{col}}$ 가 10 이상으로 측정되어, 정확한 비율 계수 추출을 위한 충분한 열화 충돌 활동이 유지됨을 확인하였다.
• DSMC 시뮬레이션은 수치 계산을 확인하였으며, 직접 통합 결과보다 약 15% 낮은 $N_{\mathrm{col}}$ 를 보여주어 이론 모델의 타당성을 검증하였다.
• 감도가 증가함에 따라 효과적인 전기 dipole 모멘트 $d_{\mathrm{eff}}$ 는 감소하여 $N_{\mathrm{col}}$ 가 감소하는 경향을 보였지만, 냉각을 위한 충분한 충돌 활동이 유지되었다.

Figure 2: Loss suppression. (a) The decay of 23 Na 87 Rb number $N$ without (red squares) and with (blue circles) the microwave field. For the latter case, the detuning $\Delta$ is $2\pi\times 8~{}\rm{MHz}$ . The solid curves are for eye guiding. Error bars represent standard deviation of typically