[論文レビュー] Clock-line photoassociation of strongly bound dimers in a magic-wavelength lattice

Oscar Bettermann, Nelson Darkwah Oppong+4 more|arXiv (Cornell University)|Mar 24, 2020

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、魔法周波数の光学格子を用いたクロック遷移の光励起による、$^{171}\text{Yb}$における深く結合した $^{1}\text{S}_0$--$^{3}\text{P}_0$ ダイマーの直接的光的生成と分光測定を実証した。零磁場においては $h \times 292.1(2)\,\text{kHz}$ の大きなダイマー結合エネルギーを報告し、$1300(44)\,\text{G}$ に軌道的フェシュバッハ共鳴を同定した。また、格子波長を調整することで、自由状態から結合状態への遷移がトラップ深さに依存しなくなるようにできることを示し、分子時計や量子シミュレーションのための安定した分子状態準備を可能にした。

ABSTRACT

We report on the direct optical production and spectroscopy of $^1\mathrm{S}_0\mbox{-}^3\mathrm{P}_0$ molecules with large binding energy using the clock transition of $^{171}\mathrm{Yb}$, and on the observation of the associated orbital Feshbach resonance near $1300\,\mathrm{G}$. We measure the magnetic field dependence of the closed-channel dimer and of the open-channel pair state energy via clock-line spectroscopy in a deep optical lattice. In addition, we show that the free-to-bound transition into the dimer can be made first-order insensitive to the trap depth by choice of the lattice wavelength. Finally, we determine the fundamental intra- and interorbital scattering lengths and probe the stability of the corresponding pair states, finding long lifetimes in both interorbital interaction channels. These results are promising both for molecular clocks and for the preparation of strongly-interacting multiorbital Fermi gases.

研究の動機と目的

• クロック遷移を用いた光励起により、$^{171}\text{Yb}$ における深く結合したダイマーを直接生成・特徴づけること。
• 深い3次元光学格子内におけるダイマーおよびオープンチャネルペア状態のエネルギーの磁場依存性を調査すること。
• 自由状態から結合状態への遷移がトラップ深さに依存しなくなる条件を特定し、分子時計への応用に不可欠な要件を満たすこと。
• 精密に相互軌道散乱長を測定し、量子シミュレーションのための相互軌道ペア状態の安定性を調査すること。
• $^{171}\text{Yb}$ が強い相互作用を示す多軌道フェルミガスおよび分子時計のプラットフォームとしての可能性を検討すること。

提案手法

• $^{1}\text{S}_0$（基底状態）および $^{3}\text{P}_0$（クロック状態）に存在する $^{171}\text{Yb}$ 原子を、同時にトラップする3次元の魔法周波数光学格子を用い、トラップに起因するシフトを最小限に抑えた。
• クロック遷移 $|g\uparrow\rangle \rightarrow |e\uparrow\rangle$ を駆動することで、$|g\uparrow g\downarrow\rangle$ ペアからダイマーをコherentに準備する光励起を実施した。
• 磁場を1600 Gまで変化させながら、ダイマーおよびオープンチャネルペア状態のエネルギーを分光測定により測定した。
• 格子波長を調整することで、光励起遷移がトラップ深さに1次的に依存しなくなるようにし、系の系としてのずれを最小限に抑えた。
• 低磁場におけるクロックライン分光測定を用いて、内軌道および相互軌道散乱長を抽出した。
• 励起後に原子数の減衰をモニタリングし、指数関数的減衰モデルへのフィットを用いて、相互軌道ペア状態の寿命を調査した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 零磁場における $^{1}\text{S}_0$--$^{3}\text{P}_0$ ダイマーの中で最も弱く結合した状態の結合エネルギーはどのくらいか？
• RQ2 $^{171}\text{Yb}$ における軌道的フェシュバッハ共鳴（OFR）はどこに存在し、相互作用強度にどのように影響を与えるか？
• RQ3 格子波長を調整することで、自由状態から結合状態への光励起遷移をトラップ深さに依存させないようにできるか？
• RQ4 $^{171}\text{Yb}$ における内軌道および相互軌道散乱長の正確な値は何か？
• RQ5 3次元光学格子内における相互軌道ペア状態の寿命はどのくらいで、主要な消失メカニズムは何か？

主な発見

• 零磁場において、$^{171}\text{Yb}$ のダイマーは $h \times 292.1(2)\,\text{kHz}$ の大きな結合エネルギーを示し、類似系で観測された値を著しく上回った。
• $1300(44)\,\text{G}$ に軌道的フェシュバッハ共鳴（OFR）が同定され、単一チャネルモデルと整合的であり、相互作用のチューニングが可能となった。
• 格子波長を調整することで、自由状態から結合状態への光励起遷移が1次的にトラップ深さに依存しなくなり、分子時計の安定性に不可欠な要件を満たした。
• 相互軌道散乱長が精密に測定され、反強磁性スピン交換相互作用を示しており、先行する理論的予測と定性的に一致した。
• 相互軌道 $|eg^{\pm}\rangle$ ペア状態の寿命は長く、$35\,E_{\text{rec}}$ 格子内での非弾性消失率係数の上限は $\beta_{eg}^{\pm} \leq 2.6(3)\times 10^{-16}\,\text{cm}^3/\text{s}$ であった。
• $|ee\rangle$ 状態は急速に崩壊し、2体消失率係数は $\beta_{ee} = 4.8(2.1)\times 10^{-12}\,\text{cm}^3/\text{s}$ であった。これは、量子シミュレーションにおいてサイト局在型準備が不可欠であることを示唆した。