[論文レビュー] Long lifetimes in optical ion traps

Alexander Lambrecht, Julian Schmidt+4 more|arXiv (Cornell University)|Sep 21, 2016

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates被引用数 4

ひとこと要約

本論文では、ラジオ周波数（rf）場を用いずに、近赤外（NIR）ダイポールトラップで単一の 138Ba+ 無性を最大3秒間長寿命に光学捕獲することに成功し、効率的なリポンプを用いることで可視光（VIS）ダイポールトラップで2桁の延長（166 ms）を達成した。この研究により、加熱と光子散乱を最小限に抑えることで、量子シミュレーションおよびハイブリッドイオン-原子系に不可欠な長時間のコherencyを実現した。

ABSTRACT

We report on single Barium ions confined in a near-infrared optical dipole trap for up to three seconds in absence of any radio-frequency fields. Additionally, the lifetime in a visible optical dipole trap is increased by two orders of magnitude as compared to the state-of-the-art using an efficient repumping method. We characterize the state-dependent potentials and measure an upper bound for the heating rate in the near-infrared trap. These findings are beneficial for entering the regime of ultracold interaction in atom-ion ensembles exploiting bichromatic optical dipole traps. Long lifetimes and low scattering rates are essential to reach long coherence times for quantum simulations in optical lattices employing many ions, or ions and atoms.

研究の動機と目的

• ラジオ周波数（rf）場を用いない長寿命の光学捕獲を実現し、rfミクロモーションに起因する制限を克服すること。
• 効率的なリポンプを用いて光子散乱と励起状態の人口を低減することで、光学ダイポールトラップ内でのイオン寿命を延長すること。
• 状態依存光学ポテンシャルを特徴付け、近赤外トラップにおける加熱率の上限を測定すること。
• 二色光光学ダイポールトラップを用いて、超低温のイオン-原子相互作用とスケーラブルな量子シミュレーションの領域を実現すること。
• 加熱と損失メカニズムを最小限に抑えることで、ハイブリッドイオン-原子系における同調冷却と長時間コherencyを支援すること。

提案手法

• セグメント化された線形パウルトラップに単一の 138Ba+ 無性を捕獲し、ラジオ周波数を用いずに1064 nm（NIR）または532 nm（VIS）の光学ダイポールトラップに移行させた。
• イオンを明確な状態に初期化するため、ドーピラー冷却と外部場補償を用いた。
• 可視光（532 nm）と近赤外光（1064 nm）の二色光光学ダイポールトラップを用い、状態依存ポテンシャルを生成した。
• 励起状態Dの人口を低減するための効率的なリポンプスキームを実装し、損失と加熱を最小限に抑えた。
• 光学捕獲時間とレーザー強度の関数としてイオンの生存確率を測定し、加熱率を推定した。
• 径方向カットオフモデルを適用して初期温度と上昇温度を抽出し、加熱率の上限を算出した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 単一の 138Ba+ 無性は、ラジオ周波数（rf）場を一切用いずに、遠く離れた周波数で光学ダイポールトラップに数秒間安定して捕獲可能か？
• RQ2 効率的なリポンプは、最先端技術と比較して、可視光光学ダイポールトラップ内での損失を低減し、寿命をどのように延長するか？
• RQ3 近赤外光学ダイポールトラップにおける加熱率の上限は何か？また、それは同調冷却にどのように影響するか？
• RQ4 二色光光学トラップにおける状態依存ポテンシャルは、イオンや原子に対する選択的制御をどの程度可能にするか？
• RQ5 長寿命の光学イオン捕獲は、スケーラブルな量子シミュレーションおよび長時間コherencyを持つハイブリッドイオン-原子系を実現可能か？

主な発見

• 単一の 138Ba+ 無性は、近赤外（1064 nm）光学ダイポールトラップで、ラジオ周波数を一切用いずに最大3秒間捕獲された。
• 可視光（532 nm）ダイポールトラップでは、イオン寿命が166 msにまで延長され、従来の最先端技術と比較して2桁の延長が達成された。
• 近赤外トラップにおける加熱率の上限は (350 ± 70) μK/s と測定され、同調冷却に適した低熱雑音を示した。
• 状態依存光学ポテンシャルは実験的に特徴付けられ、S1/2基底状態に対して深い捕獲が確認された。
• 10 msの遅延後、測定された温度は (320 ± 30) μK から (500 ± 60) μK に上昇し、レーザー強度の揺らぎに起因する加熱と整合的であった。
• 低損失・低加熱の光学捕獲を可能にするため、長時間コherencyを持つ量子シミュレーションおよびハイブリッドイオン-原子系の実現が可能であると示唆された。