[論文レビュー] Formation of Quantum-Degenerate Sodium Molecules

Kaiwen Xu, Takashi Mukaiyama+4 more|PUB – Publications at Bielefeld University (Bielefeld University)|Oct 1, 2003

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

ひとこと要約

本論文では、ボーズ＝アインシュタイン凝縮（BEC）内のナトリウム原子に対して磁場を断熱的に変化させ、フェシュバッハ共鳴点を通過させることで、量子degenerateなナトリウム分子気体の生成を示した。その後、迅速な光学的手法により残存原子を除去した。この手法により、分子の位相空間密度が20を超えることが確認され、非弾性衝突損失が抑制された高純度の量子degenerate分子系の形成が実証された。

ABSTRACT

Ultra-cold sodium molecules were produced from an atomic Bose-Einstein condensate by ramping an applied magnetic field across a Feshbach resonance. More than $10^5$ molecules were generated with a conversion efficiency of $\sim$4%. Using laser light resonant with an atomic transition, the remaining atoms could be selectively removed, preventing fast collisional relaxation of the molecules. Time-of-flight analysis of the pure molecular sample yielded an instantaneous phase-space density greater than 20.

研究の動機と目的

• ボーズ＝アインシュタイン凝縮（BEC）状態のナトリウム原子から、超低温ナトリウム分子の量子degenerate気体を生成すること。
• 通常、分子BECの形成を妨げる急速な非弾性衝突損失を克服すること。
• 磁気モーメントの違いに依存しない、高速かつ選択的な未対称原子の除去手法を開発すること。
• 純粋な分子系において高い位相空間密度を達成し、分子の量子degeneracyの研究を可能にすること。
• ボース粒子からなる系において、分子凝縮を形成する可能性を検証すること。この系は、急速な振動励起状態の緩和に起因して不安定になりやすい。

提案手法

• ナトリウム原子BEC（|F=1, mF=−1⟩状態）を、径方向と軸方向のトラップ周波数がそれぞれ2π×290 Hzおよび2π×2.2 Hzである光ドライフトラップに準備した。
• 断続的なラジオ周波数スイープにより、原子を|F=1, mF=1⟩状態に転移させた。この状態は907 Gで1 G幅のフェシュバッハ共鳴を示す。
• フェシュバッハ共鳴点を迅速に通過させる磁場のスイープにより、|v=14, l=0⟩状態の分子が生成され、変換効率は約4%であった。
• 共鳴レーザー光を用いて、未対称原子を効果的にトラップから排除した。これにより、衝突加熱や損失が防止された。
• 分子を再び原子に変換した後の飛行時間イメージングにより、高品位な純粋な分子クラウドと高い位相空間密度の存在が確認された。
• 位相空間密度は、トーマス＝フェルミフィッティングを用いて推定され、画像のぼやけや非一様な拡張による系統的過小評価を補正した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 フェシュバッハ共鳴を用いて、ボース粒子からなるBEC状態のナトリウム原子から、量子degenerateな超低温分子気体を形成できるか？
• RQ2 非弾性衝突が抑制された状態で、分子系に達成可能な最大の位相空間密度は何か？
• RQ3 残存原子の迅速な光学的除去は、分子BEC実験における衝突加熱や損失を防げるか？
• RQ4 分子の位相空間密度は、ボーズ＝アインシュタイン凝縮の臨界値（2.6）と比べてどの程度か？
• RQ5 散乱長は、ボース分子系における弾性衝突率と非弾性衝突率の比を決定づける役割を果たすか？

主な発見

• 初期に500万原子の原子BECから出発し、約4%の変換効率で10^5個以上のナトリウム分子が生成された。
• 分子系のピーク位相空間密度は20を超えており、Bose-Einstein凝縮の臨界値2.6を著しく上回った。
• 共鳴レーザー光を用いた未対称原子の選択的除去により、純粋な分子クラウドが形成され、衝突加熱や損失が防止された。
• 画像のぼやけや非一様な拡張に対する系統的補正から、実際の位相空間密度は少なくとも30%以上過小評価されていると示唆され、径方向熱平衡を仮定した場合、2〜4倍の増加が可能性である。
• 測定された位相空間密度はBECの閾値を超えていたが、著者らは、明確な凝縮状態の同定には熱的平衡状態と長期的安定性が必要であると警告している。
• 本結果は、急速な振動緩和の問題に直面するボース粒子系においても、長寿命で量子degenerateな分子ガスを実現するための有効な道筋を示している。