[論文レビュー] Formation of Ultracold Fermionic NaLi Feshbach Molecules

Myoung-Sun Heo, Tout T. Wang+6 more|DSpace@MIT (Massachusetts Institute of Technology)|May 23, 2012

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates参考文献 1被引用数 8

ひとこと要約

本論文は、745 Gで発生する狭く閉道支配のFeshbach共鳴領域を磁場スイープで走査することにより、超低温フェルミ性23Na6Li Feshbach分子の成功した生成を報告している。最小の相空間重なりに起因する低効率なLandau-Zener予測にもかかわらず、5%の分子変換効率——5×10⁴個の分子に相当——が達成され、自由原子を除いた後の分子寿命は1.3 msであった。これにより、この最小のヘテロ核アルカリ分子系におけるダイポール相互作用や多体物理学の未来の探求が可能となる。

ABSTRACT

We describe the formation of fermionic NaLi Feshbach molecules from an ultracold mixture of bosonic 23Na and fermionic 6Li. Precise magnetic field sweeps across a narrow Feshbach resonance at 745 G result in a molecule conversion fraction of 5% for our experimental densities and temperatures, corresponding to a molecule number of 5*10^4. The observed molecular decay ifetime is 1.3 ms after removing free Li and Na atoms from the trap.

研究の動機と目的

• 超低温フェルミ性23Na6Liヘテロ核分子の形成を示す。この系は、特異なダイポール的および反応性特性を有する。
• 非常に狭く閉道支配のFeshbach共鳴領域（エネルギー幅E₀/h ≈ 5 Hz）において分子を形成するという課題を克服する。
• デゲネレート混合状態におけるボソン的23Naとフェルミオン的6Liの間の相空間重なりが極めて小さいにもかかわらず、測定可能な分子生成量を達成する。
• 分子寿命および崩壊メカニズム（特に残留自由原子との非弾性衝突）を特徴づける。
• 今後の長距離ダイポール相互作用およびロ-ブロ-ラシオン状態の準備に関する研究を可能にする。

提案手法

• 量子デゲネレート状態にある超低温23Na（ボソン的）と6Li（フェルミオン的）原子を交差ビーム光学ダイポールトラップで共捕獲した。
• 745 Gにおける狭いFeshbach共鳴領域を正確にスイープすることで、Landau-Zener遷移を介した分子生成を誘発した。
• 磁場勾配分離を用いて分子と自由原子を空間的に分離し、吸収像像により確認した。
• 解離前の保持時間を変化させ、残存する原子分率を撮影することで分子寿命を測定した。
• 理論的変換効率を推定するため、Landau-Zenerパラメータδ ≈ 0.13を計算し、観測された5%の変換効率と比較した。
• 双曲正接フィッティングを用いて、磁場スイープ中の原子損失から共鳴位置を特定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 極めて狭く閉道支配のFeshbach共鳴領域にかかわらず、超低温フェルミ性23Na6Li分子を形成することは可能か？
• RQ2 相空間重なりが制限されたボソン-フェルミオン混合系において、実現可能な分子変換分率はどの程度か？
• RQ3 残留自由原子の存在が、捕獲されたNaLi分子の寿命にどのように影響するか？
• RQ4 自由原子が存在する状況下で、NaLi分子の主な2体損失メカニズムは何か？
• RQ5 観測された1.3 msの分子寿命は、将来のラマンサイドバンド冷却およびロ-ブロ-ラシオン基底状態の準備を可能にするか？

主な発見

• 相空間重なりが著しく悪いにもかかわらず、理論的Landau-Zener予測（56%）に対し、5%の分子変換分率——5×10⁴個のNaLi分子に相当——が達成された。
• 自由NaおよびLi原子を除去した後の分子寿命は1.3 msであった。これは光子散乱による損失が最小限であることを示唆している。
• 自由原子を保持した状態では寿命は270 μsに低下し、Li原子のみを残した状態では550 μsに低下した。両方の原子が非弾性衝突にほぼ同等に寄与していることが示された。
• 2体損失率定数はβ_NaLi+Na ≈ 1×10⁻¹⁰ cm³/sおよびβ_NaLi+Li ≈ 4×10⁻¹⁰ cm³/sと推定され、非弾性衝突が主な崩壊チャネルであることを裏付けた。
• 狭い共鳴（E₀/h ≈ 5 Hz）および小さなファンデルワールスC₆係数は、予想される反応性衝突率（約10⁻¹³ cm³/s）が低く、ダイポール抑制がなくても長寿命であることを支持する。
• 観測された分子の性質、特に低反応性および長寿命は、23Na6Liが長距離非等方的相互作用を有するダイポール多体物理学および量子シミュレーションの優れた候補であることを示している。