[논문 리뷰] Stark spectroscopy of Rydberg atoms in an atom-ion hybrid trap

Shinsuke Haze, Joschka Wolf외 4명|arXiv (Cornell University)|2019. 01. 30.

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 초냉각 87Rb 원자를 위한 하이브리드 원자-이온 트랩에서 라이드버그 스펙트로스코피를 사용하여 경험하는 전기장을 탐지한다. 이로 인해 최대 250 V/cm의 스타크 시프트가 관측되었으며, 이는 잡힌 이온이 원인일 가능성이 높지만, 스펙트럼 데이터는 파울 전기장의 기여도를 시사한다. 이는 전기장 기원에 대한 중요한 모호성을 드러내며, 펄스 측정 또는 주파수 의존성 비선형성 분석을 통한 추가 연구가 필요하다.

ABSTRACT

We report on Rydberg spectroscopy of ultracold atoms in an atom-ion hybrid trap for probing the electric fields in a mixture of atoms and ions. We obtain spectra which exhibit excitation gaps corresponding to avoided level crossings in the Stark map. From these measurements we can conclude that the ground state atoms experience electrical fields of up to 250 V/cm. There is, however, a difficulty in interpreting the results, because some data indicate that the electrical fields are produced by the ions while other data indicate that they stem from the Paul trap. We discuss possible scenarios for explaining the measured data, provide first measurements to check these scenarios, and propose methods to finally solve this puzzle.

연구 동기 및 목표

• 하이브리드 초냉각 원자-이온 시스템에서 라이드버그 스펙트로스코피를 사용하여 국소 전기장을 탐지한다.
• 라이드버그 스펙트럼에서 관측된 강한 전기장(최대 250 V/cm)의 기원을 특정한다. 이는 잡힌 이온과 파울 트랩의 기여를 구분한다.
• 일부 측정치는 이온 기인 전기장을 시사하지만, 스펙트럼 선형형태는 파울 트랩 기인 전기장을 암시하는 실험 데이터 간의 모순을 해결한다.
• 하이브리드 원자-이온 시스템에서 전기장 기원을 명확히 규명하기 위한 방법을 개발하고 제안한다.

제안 방법

• 광학 드롭 트랩(ODT)을 사용해 초냉각 87Rb 원자를, 선형 파울 트랩을 사용해 Rb+ 이온을 동시에 잡는 双트랩 시스템을 구성한다.
• 약 298.5 nm에서 주파수 제곱화된 레이저를 사용해 5S1/2 기저 상태에서 27P 상태로 단일 광자 라이드버그 전이를 수행한다.
• 라이드버그 전이와 그로 인한 이온화로 인한 원자 손실은 흡수 영상으로 측정되어 이온 축적과 전기장 영향을 유추한다.
• UV 레이저 주파수를 스캔하여 스펙트럼을 확보하며, 스타크도에서 피하기된 수준 교차를 나타내는 갭이 관측된다.
• ODT를 파울 트랩 중심으로부터 제어 가능한 거리로 이동시켜, 다양한 거리에서 전기장 의존성을 측정한다.
• 전기장 분포와 스타크 시프트의 수치 시뮬레이션을 실험 스펙트럼과 비교하여, 전기장 강도 추정치의 타당성을 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 하이브리드 트랩 내 초냉각 라이드버그 원자가 경험하는 전기장(최대 250 V/cm)의 기원은 무엇인가?
• RQ2 왜 일부 측정치는 이온 기인 전기장을 시사하지만, 스펙트럼 선형형태는 파울 트랩 기인 전기장을 암시하는가?
• RQ3 원자 손실의 비선형 계수 κ가 시간에 따라 변화함을 이용해 전기장 기원을 구분할 수 있는가?
• RQ4 파울 트랩의 RF 필드의 공간적 및 시간적 비균일성이 라이드버그 스펙트로스코피에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 디지털 이온 트랩의 영구 전기장 없음 단계 동안 펄스 스펙트로스코피를 수행하면 전기장 기원의 모호성을 해결할 수 있는가?

주요 결과

• 라이드버그 스펙트로스코피는 스타크도에서 피하기된 수준 교차에 해당하는 전이 갭을 확인하여, 원자 군집 내 최대 250 V/cm의 전기장을 시사한다.
• 원자 손실의 비선형 계수 κ는 파울 트랩의 원형 진동수 ωr이 증가함에 따라 증가하며, 이는 이온 밀도가 높아지고 전기장 영향이 강화됨을 나타낸다.
• κ는 ωr ≈ 2π × 230 kHz에서趋向 포화되며, 이는 쿨롱 반발력으로 인한 이온 군집의 압축성 감소 때문일 가능성이 높다.
• 이온이 없는 조건에서 파울 트랩의 RF 필드만으로도 27P3/2 공명선이 상당히 넓어지고 비틀어지며, d = 97 μm에서 약 4 GHz의 폭을 가진다.
• 전기장 분포와 스타크 시프트의 수치 시뮬레이션은 실험 스펙트럼과 양호한 일치를 보이며, 전기장 유도 라이드버그 전이 모델의 타당성을 검증한다.
• 이온 기인 가설과 스펙트럼 데이터 간의 괴리에서, 파울 트랩의 RF 필드가 관측된 스타크 시프트의 주요 기여자일 가능성이 높으며, 초기 가정을 도전한다.