[논문 리뷰] Optical control of Feshbach resonances in Fermi gases using molecular dark states

Haibin Wu, J. E. Thomas|arXiv (Cornell University)|2011. 10. 04.

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 두 개의 광학장이 다중 닫힘 채널 분자 상태를 결합하여 양자 간섭을 통해 비탄성 손실을 억제함으로써 초냉각 페르미 가스에서 페시히 레온던스를 조절하기 위한 어둠은 상태 광학 제어 방법을 제안한다. 이 기법은 최소한의 손실로 넓고 가역적인 산란 길이 조절이 가능하며, 단일 필드 방법에 비해 자발적 방출이 최대 두 배수 감소한다.

ABSTRACT

We propose a general method for optical control of magnetic Feshbach resonances in ultracold atomic gases with more than one molecular state in an energetically closed channel. Using two optical frequencies to couple two states in the closed channel, inelastic loss arising from spontaneous emission is greatly suppressed by destructive quantum interference at the two-photon resonance, i.e., dark-state formation, while the scattering length is widely tunable by varying the frequencies and/or intensities of the optical fields. This technique is of particular interest for a two-component atomic Fermi gas, which is stable near a Feshbach resonance.

연구 동기 및 목표

• 초냉각 양자 가스에서의 실용적 응용을 제한하는 빛에 의한 비탄성 손실과 가열 문제를 해결하기 위해.
• 강한 상관관계가 있는 페르미 가스에서 페시히 레온던스 근처에서 상호작용의 빠른 시간적 및 고해상도 공간적 제어를 가능하게 하기 위해.
• 닫힘 채널 내 이중준위 시스템에서의 파괴적 양자 간섭을 이용해 자발적 방출을 억제하면서도 산란 길이의 넓은 조절 가능성을 유지하기 위해.
• 단일 필드 방법을 초월하여 닫힘 채널 내 다중 분자 상태를 활용함으로써 안정성과 정밀도를 향상시키기 위해.
• 제어 가능한 상호작용을 가진 초냉각 페르미 가스에서 비평형 역학 및 불안정한 many-body 시스템을 연구할 수 있는 실현 가능한 길을 제공하기 위해.

제안 방법

• 두 광학장(주파수 ω₁ 및 ω₂, 라비 주파수 Ω₁ 및 Ω₂)을 사용하여 닫힘 채널의 두 분자 상태 |g₁⟩ 및 |g₂⟩ 를 공통의(excited) 상태 |e⟩ 와 공명적으로 결합함으로써 어둠은 상태를 형성한다.
• hamiltonian에는 열역학적 결합 Vhf 가 개방 채널의 삼중 상태와 |g₁⟩ 사이에 존재하며, 이는 자성 페시히 레온던스를 매개한다. 반면 |g₂⟩ 는 개방 채널에서 분리되어 있다.
• 두 광자 공명 조건에서 발생하는 파괴적 양자 간섭은 |e⟩ 에서의 자발적 방출을 억제하여 비탄성 손실을 감소시킨다.
• 레이저 주파수와 강도를 변화시킴으로써 산란 길이를 조절함으로써 효과적인 상호작용 강도를 넓게 제어할 수 있다.
• 의복 상태 스펙트럼에서 유도된 실수부 및 허수부를 이용해 Fano 유사 접근법을 사용하여 s-파동 산란 길이를 계산한다.
• STIRAP(자극된 라만 아디아바틱 통과) 는 Ω₁ 과 Ω₂ 의 동적 제어를 통해 가능해지며, 이는 |g₁⟩ 과 |g₂⟩ 사이의 인버트된 인구 전이를 가능하게 하여 분자 상태 설계에 기여한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 다중 준위 닫힘 채널 시스템에서의 두 광자 양자 간섭은 초냉각 페르미 가스에서 광학적 페시히 레온던스 제어 중 비탄성 손실을 억제할 수 있는가?
• RQ2 닫힘 채널 내 다중 분자 상태의 포함이 단일 필드 방법에 비해 더 넓고 안정적인 산란 길이 조절을 가능하게 하는가?
• RQ3 어둠은 상태가 자발적 방출을 최소화하면서도 상호작용 강도의 조절 가능성을 유지하는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ4 어둠은 상태 제어 기법 하에서 자성장의 의존성에 따라 산란 길이의 변화는 기존의 Autler-Townes 분할과 어떻게 다를까?
• RQ5 기존 레이저 및 포획 기술을 사용하여 6Li나 85Rb와 같은 실제 실험 시스템에 이 방법을 적용할 수 있는가?

주요 결과

• 어둠은 상태 방법은 단일 필드 제어 대비 자발적 산란률을 최대 두 배수 감소시키며, Ω₂ = 3γₑ 에서 손실이 약 100배 감소한다.
• 자기장에 따른 산란 길이는 세 개의 피크를 보이며, 어둠은 상태로 인해 좁은 중심 공명이 발생하여 작은 자기장 변화로도 고해상도 조절이 가능하다.
• 고정된 레이저 파arameter 조건에서 산란 길이의 실수부 a′/abg 는 넓고 조절 가능한 공명을 보이며, 허수부 a′′/abg 는 어둠은 상태 억제 특성에 기인한 좁은 중심 손실 피크를 나타낸다.
• 6Li에서는 673.7 nm 레이저를 사용하여 g₁→e 전이에 대해 Ω₁ ≈ 0.59 MHz per mW/cm² 및 γₑ ≈ 12 MHz 를 사용할 수 있으며, 이는 실용적 구현 가능성을 보여준다.
• 6Li의 배경 산란 길이는 a_bg = -1405 a₀ 이며, 이 방법은 낮은 손실로 페시히 레온던스를 가로질러 조절할 수 있다.
• 이 기법은 STIRAP 를 통해 |g₁⟩ 과 |g₂⟩ 사이의 인버트된 인구 전이가 가능하며, 이는 초냉각 페르미 가스에서 회전-진동 기초 상태 분자를 준비하는 데 필수적이다.