[논문 리뷰] Narrow-line photoassociation spectroscopy and mass-scaling of bosonic strontium

Benjamin J. Reschovsky, Brandon Ruzic외 4명|arXiv (Cornell University)|2018. 08. 20.

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

한 줄 요약

이 연구는 84Sr와 86Sr의 고정밀 좁은 선폭 광학 연합 스펙트로스코피를 이용하여 보손성 스트론티움 이량체에 대한 정련된 질량 스케일링 모델을 제시한다. 이 모델은 새로운 유한 상태를 규명하고 실험과의 일치를 1 MHz 이내로 향상시켰으며, 깊은 잠금 상태를 더 잘 재현하기 위해 두 번째 1u 채널을 포함한다. 또한 84Sr의 0u+ 상태에 대한 광학적 페시히 레조넌스 매개변수를 측정하였으며, 산란 파동함수의 노드로 인해 레조넌스 강도가 억제됨을 발견하였다.

ABSTRACT

Using new experimental measurements of photoassociation resonances near the $^1\mathrm{S}_0 ightarrow \phantom{ }^3\mathrm{P}_1$ intercombination transition in $^{84}$Sr and $^{86}$Sr, we present an updated study into the mass-scaling behavior of bosonic strontium dimers. A previous mass-scaling model [Borkowski et al., Phys. Rev. A 90, 032713 (2014)] was able to incorporate a large number of photoassociation resonances for $^{88}$Sr, but at the time only a handful of resonances close to the dissociation limit were known for $^{84}$Sr and $^{86}$Sr. In this work, we perform a more thorough measurement of $^{84}$Sr and $^{86}$Sr bound states, identifying multiple new resonances at deeper binding energies out to $E/h=-5$ GHz. We also identify several previously measured resonances that cannot be experimentally reproduced and provide alternative binding energies instead. With this improved spectrum, we develop a mass-scaled model that reproduces the observed binding energies of $^{86}$Sr and $^{88}$Sr to within 1 MHz. In order to accurately reproduce the deeper bound states, our model includes a second $1_u$ channel and more faithfully reproduces the depth of the potential. As determined by the previous mass-scaling study, $^{84}$Sr $0_u^+$ levels are strongly perturbed by the avoided crossing between the $^1\mathrm{S}_0 + \phantom{ }^3\mathrm{P}_1$ $0_u^+$ $(^3Π_u)$ and $^1\mathrm{S}_0 + \phantom{ }^1\mathrm{D}_2$ $0_u^+$ $(^1Σ_u^+)$ potential curves and therefore are not included in this mass-scaled model, but are accurately reproduced using an isotope-specific model with slightly different quantum defect parameters. In addition, the optical lengths of the $^{84}$Sr $0_u^+,\ ν=-2$ to $ν=-5$ states are measured and compared to numerical estimates to characterize their use as optical Feshbach resonances.

연구 동기 및 목표

• 보유된 질량 스케일링 모델을 확장하여 84Sr와 86Sr의 더 깊은 유한 상태를 이론적으로 더 잘 기술하기 위해 노력한다.
• 이전에 보고된 광학 연합 레조넌스의 이질성을 해결하기 위해 결합 에너지를 재측정하고 재평가한다.
• 84Sr 0u+ 상태의 광학적 길이 및 브로드닝 매개변수를 특성화하여 광학적 페시히 레조넌스로 활용한다.
• 산란 파동함수의 노드로 인해 84Sr에서 광학적 페시히 레조넌스 강도가 억제되는 이유를 이해한다.
• 공진 상태 분자 생성 및 스핀 상태에 따라 조절 가능한 양자 제어를 위한 미래의 응용을 가능하게 하기 위해 설계된 광학적 페시히 레조넌스를 활용한다.

제안 방법

• 초냉각 84Sr와 86Sr 시료를 대상으로 1S0 → 3P1 상호작용 전이 근처의 유한 분자 상태를 맵핑하기 위해 좁은 선폭 광학 연합 스펙트로스코피를 수행한다.
• 레이저 강도 의존성 손실 스펙트럼을 광학적 페시히 레조넌스 매개변수를 포함한 비율 방정식 모델에 맞추어 결합 에너지를 추출한다.
• 이전 연구에서 얻은 아비-아이노타 잠금 위치 에너지 잠금 모델을 기반으로 질량 스케일링 잠금 위치 모델을 개발하였으며, 깊은 결합 상태 에너지를 더 잘 재현하기 위해 두 번째 1u 채널을 추가하였다.
• 이론적 광학적 길이(ℓopt/I)를 계산하고 실험 측정치와 비교하여 모델의 타당성을 검증하고 레조넌스 강도를 평가한다.
• 콘돈 점과 고전적 전환점 근처의 파동함수 노드를 분석하여 84Sr에서 광학적 페시히 레조넌스 강도가 억제되는 이유를 설명한다.
• 결합 에너지 및 광학적 길이 측정의 체계적 및 통계적 불확실성을 철저히 평가하고 오차 막대에 포함시킨다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 84Sr와 86Sr의 0u+ 분자 상태의 결합 에너지는 질량 스케일링 모델의 예측과 어떻게 비교되며, 더 깊은 유한 상태를 포함하기 위해 모델을 어떻게 개선할 수 있는가?
• RQ2 84Sr의 광학적 페시히 레조넌스 강도가 86Sr와 88Sr보다 현저히 억제되는 이유는 무엇이며, 파동함수의 노드는 어떤 역할을 하는가?
• RQ3 이전에 보고된 84Sr와 86Sr의 광학 연합 레조넌스는 얼마나 실험적으로 재현 가능한가, 그리고 수정된 결합 에너지는 무엇인가?
• RQ4 단일 질량 스케일링 모델이 86Sr와 88Sr의 결합 에너지를 1 MHz 이내로 정확히 재현할 수 있는가, 그리고 이를 위해 어떤 수정이 필요한가?
• RQ5 광학 연합 선의 잔여 브로드닝(η)의 기원은 무엇이며, 운동 효과와 체계적 노이즈는 어떤 기여를 하는가?

주요 결과

• 84Sr와 86Sr에서 일곱 개의 새로운 광학 연합 레조넌스가 규명되었으며, 결합 에너지 측정의 정밀도가 ±10 kHz 이내였다.
• 두 번째 1u 채널과 개선된 잠금 깊이를 포함함으로써 질량 스케일링 모델은 86Sr와 88Sr의 실험적 결합 에너지를 1 MHz 이내로 재현하였다.
• 84Sr의 0u+ 스펙트럼은 1S0 + 1D2 0u+ 잠금 위치와의 피할 교차로 인해 크게 교란되어 질량 스케일링에서의 이질성을 설명할 수 있었다.
• 84Sr ν = -2에서 -5까지의 광학적 페시히 레조넌스 강도(ℓopt/I)는 파동함수의 노드로 인해 억제되었으며, ν = -4의 강도가 ν = -5보다 작음을 관측하여 이론과 일치하였다.
• 잔여 브로드닝(η)은 레이저 강도와 독립적이었으며, 체계적 노이즈 또는 운동 자극 기여로 인한 것으로 보이나 정확한 기원은 아직 명확하지 않다.
• 84Sr ν = -2 레조넌스의 광학적 길이는 510(61) a0/(W/cm²)로 측정되었으며, 배경 산란 길이에 가까운 콘돈 점으로 인해 86Sr와 88Sr에서 관측된 약 10⁴ a0/(W/cm²)보다 현저히 낮았다.