[논문 리뷰] Quantum degenerate Bose-Fermi mixture of chemically different atomic species with widely tunable interactions

Jee Woo Park, Cheng-Hsun Wu외 4명|DSpace@MIT (Massachusetts Institute of Technology)|2011. 10. 20.

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates인용 수 11

한 줄 요약

이 연구는 23Na와 40K 원자로 구성된 양자 혼합 기체를 초저온에서 구현하였으며, 30개 이상의 조정 가능한 s- 및 p-파 페시백 공명을 포함하고 있다. 특히 큰 음의 삼중항 산란 길이로 인해 매우 넓은 공명이 발생한다. 이 시스템은 화학적으로 안정된, 이량체적 성질을 띠는 23Na–40K 분자를 형성할 수 있으며, 강한 장거리 상호작용을 유도하여, 이량체적 페르미 기체 및 다체 양자 상을 연구하는 데 기여한다.

ABSTRACT

We have created a quantum degenerate Bose-Fermi mixture of 23Na and 40K with widely tunable interactions via broad interspecies Feshbach resonances. Twenty Feshbach resonances between 23Na and 40K were identified. The large and negative triplet background scattering length between 23Na and 40K causes a sharp enhancement of the fermion density in the presence of a Bose condensate. As explained via the asymptotic bound-state model (ABM), this strong background scattering leads to a series of wide Feshbach resonances observed at low magnetic fields. Our work opens up the prospect to create chemically stable, fermionic ground state molecules of 23Na-40K where strong, long-range dipolar interactions will set the dominant energy scale.

연구 동기 및 목표

• 강한 상관관계를 가지는 양자 시스템을 연구하기 위해 23Na와 40K 두 가지 화학적으로 다른 원자 종을 포함하는 양자 혼합 기체를 실현하는 것.
• 23Na와 40K 사이의 s- 및 p-파 페시백 공명을 특정하고 특성화하는 것, 특히 저자기장 영역에서의 특성.
• 큰 전기 이량체 모멘트를 지닌 안정적인 페르미성 분자 상태인 23Na–40K 분자의 형성을 탐색하는 것.
• 광학 격자에서 보존자가 매개하는 상호작용, 페르미 폴라론 및 새로운 양자 상을 연구할 수 있도록 하는 것.
• 다중 종 실험에서 새로운 쉘빙 기술을 통해 40K의 손실을 억제하고, 23Na에 의한 심파식 냉각을 최적화하는 것.

제안 방법

• 고상공간 밀도를 확보하기 위해, 이중 제이먼 스로틀러를 사용하여 23Na와 40K 원자를 동시에 UHV 캐비닛에 적재하였다.
• 23Na는 다크 스포트 MOT를, 40K는 표준 MOT를 사용하였으며, 빛 보조 및 스핀 변화 충돌을 최소화하기 위해 감소된 기울기의 자기 트랩을 적용하였다.
• 23Na를 광학적으로 |2,2⟩ 상태로 펌프업하고, 자기 잠금우에 갇혀 40K 적재 중 불필요한 충돌을 방지하는 쉘빙 기술을 구현하였다.
• 40K 페르미 기체의 밀도 증가를 관측하기 위해 타임오브플라잇 투과 이미징을 수행하였으며, 이는 23Na 보즈-아인슈타인 응축체와의 상호작용에 기인한다.
• 점점 가까운 상태 모델(ABM)을 사용하여 페시백 공명을 분석하였으며, 단일-삼중항 결합 및 가상 상태 효과를 고려하고, 파동함수 겹침과 산란 길이를 위한 피팅 파rameter를 설정하였다.
• 결합 채널 계산과 현상학적 가우시안 피팅을 수행하여, 특히 저자기장 영역에서 p-파 공명의 삼중항 구조를 해명하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 23Na와 40K 사이의 페시백 공명의 성격과 수는 무엇이며, 고유한 스핀-핵 상태에 따라 어떻게 달라지는가?
• RQ2 왜 23Na–40K 시스템에서 s-파 페시백 공명이 특히 넓은가? 삼중항 산란 길이의 역할은 무엇인가?
• RQ3 이 시스템에서 p-파 페시백 공명이 다중성으로 분리될 수 있는가? 이는 분자의 상태 구조에 대해 무엇을 드러내는가?
• RQ4 큰 전기 이량체 모멘트를 지닌 안정적인 이량체적 23Na–40K 분자의 형성 잠재력은 무엇인가?
• RQ5 23Na에 의한 40K의 심파식 냉각을 어떻게 최적화하여 혼합 기체에서 양자 혼합 상태를 달성할 수 있는가?

주요 결과

• 23Na와 40K 사이에서 30개 이상의 s- 및 p-파 페시백 공명이 확인되었으며, 특히 |F=1,mF=1⟩ + |F=9/2,mF=−5/2⟩ 상태에서 138 G에서 관측된 넓은 s-파 공명(약 30 G의 너비)이 포함되어 있다.
• p-파 공명은 삼중항으로 나타나며, 19.1 G 공명은 세 개의 성분으로 분리되어, 근처에서 디세계화된 다수의 분자 상태 존재를 확인한다.
• 큰 음의 삼중항 산란 길이 aₜ = −830(70) a₀ 가 추정되었으며, 이는 점점 가까운 상태 모델에서 가상 상태와의 강한 결합으로 넓은 공명을 설명한다.
• 정련된 삼중항 s-파 유도 상태 에너지는 Eₜˢ = −1654(3) MHz로 결정되었으며, p-파 유도 상태 에너지는 Eₜᵖ = −1478(7) MHz로 확인되어 이론 예측과 일치한다.
• 화학적으로 안정된 23Na–40K 분자가 형성 가능하며, 2.72(6) D의 큰 영구 이량체 모멘트를 지니고 있어 장거리 이량체 상호작용을 가능하게 한다.
• ABM 모델링을 통한 이론적 분석은 공명 위치와 너비를 성공적으로 재현하였으며, 여덟 개의 가장 좁은 s-파 공명에 대한 피팅을 통해 일관된 산란 길이와 에너지 척도를 확보하였다.