[论文解读] All-optical production of a superfluid Bose-Fermi mixture of $^6$Li and $^7$Li

Takuya Ikemachi, Aki Ito+5 more|arXiv (Cornell University)|Jun 30, 2016

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates参考文献 31被引用 7

一句话总结

该论文首次通过Feshbach共振调控系统中的蒸发冷却与sympathetic冷却，实现了使用$^6$Li（费米子）和$^7$Li（玻色子）的全光学超流玻色-费米混合物。通过高效费米子蒸发冷却以及与冷却费米子相互作用的玻色子冷却，作者实现了包含$3 \times 10^4$ $^6$Li和$5 \times 10^5$ $^7$Li原子的超流态，通过双峰动量分布和分裂数BEC的观测证实了超流混合物的形成。

ABSTRACT

We report the first all-optical production of a superfluid Bose-Fermi mixture with two spin states of $^6$Li (fermion) and one spin state of $^7$Li (boson) under the resonant magnetic field of the s-wave Feshbach resonance of the fermions. Fermions are cooled efficiently by evaporative cooling and they serve as coolant for bosons. As a result, a superfluid mixture can be achieved by using a simple experimental apparatus and procedures, as in the case of the all-optical production of a single Bose-Einstein condensate (BEC). We show that the all-optical method enables us to realize variety of ultracold Bose-Fermi mixtures.

研究动机与目标

• 开发一种简单、全光学的方法，无需磁场或复杂装载序列即可制备超流玻色-费米混合物。
• 证明在Feshbach共振调控系统中，费米子可通过sympathetic冷却高效冷却玻色子。
• 仅使用光学陷阱和激光，实现$^6$Li（两个自旋态）与$^7$Li（一个自旋态）混合物的超流态。
• 为未来多体物理实验提供对自旋态、粒子数和冷却动力学的高控制能力。

提出的方法

• 采用1070 nm波长的高功率（HP-ODT）和低功率（LP-ODT）双光学校正势阱系统，同时捕获$^6$Li和$^7$Li原子。
• 使用定制冷却与再泵浦激光，实现与2D-MOT同步的三维磁光阱（3D-MOT），将原子从2D-MOT加载至ODT。
• 在ODT中实施蒸发冷却，其中由于散射率增强，$^6$Li费米子高效冷却，而$^7$Li玻色子则通过与冷却费米子的碰撞实现sympathetic冷却。
• 在832.18 G处利用Feshbach共振调节相互作用，实现对$^6$Li-$^6$Li、$^6$Li-$^7$Li和$^7$Li-$^7$Li散射长度的控制。
• 通过反馈稳定LP-ODT激光功率，实现长达60秒的1/e寿命，维持长期捕获。
• 通过测量动量分布和原位密度分布，识别超流性与BEC形成，包括分裂数BEC。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否仅使用光学陷阱和激光，无需磁场或复杂装载程序，制备超流玻色-费米混合物？
• RQ2 在Feshbach共振系统中，费米子对玻色子的sympathetic冷却效率如何？
• RQ3 在费米子冷却存在下，实现BEC形成所需的最小初始玻色子与费米子比例是多少？
• RQ4 动量分布与原位密度分布如何揭示超流性与分裂数BEC的存在？
• RQ5 能否从被捕获混合物中观测到的BEC尺寸与形状确定$^7$Li-$^7$Li的散射长度？

主要发现

• 成功制备了超流玻色-费米混合物，包含$3 \times 10^4$ $^6$Li和$5 \times 10^5$ $^7$Li原子，初始比例$R_{7/6}^{\rm ini} = 0.12$，通过两种组分的双峰动量分布得到证实。
• 系统在$^7$Li的$m_F = -1$态中表现出分裂数BEC，轴向尺寸$w_{\rm BEC} = 6.1(3)$ $\mu$m，表明$^7$Li-$^7$Li存在吸引相互作用。
• 在832.18 G处，$^7$Li-$^7$Li的散射长度确定为$a_{\rm bb}^{-1} = -3.2(3)a_0$，与负散射长度及次谐振子长度BEC一致。
• sympathetic冷却对$^7$Li至关重要，因为无$^6$Li时冷却无法提高相空间密度，证实了费米子介导的冷却机制。
• 在$R_{7/6}^{\rm ini} > 0.02$时，系统表现出有限的对关联函数，为混合物中存在超流性提供了直接证据。
• 观测到的分裂数BEC归因于淬火样冷却过程中Kibble-Zurek孤子的自发形成。