[논문 리뷰] Probing photoinduced two-body loss of ultracold non-reactive bosonic $^{23}$Na$^{87}$Rb and $^{23}$Na$^{39}$K molecules

Philipp Gersema, Kai K. Voges외 8명|PubMed|2021. 02. 28.

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates참고 문헌 1인용 수 8

한 줄 요약

이 연구는 초냉각 상태이며 화학적으로 안정된 보스성 $^{23}$Na$^{87}$Rb 및 $^{23}$Na$^{39}$K 분자를 꺼짐 없는 광학적 드롭 트랩(ODT)을 사용하여 두체 손실을 조사한다. 이론적 예측에 따르면 복합체 수명은 짧게(약 6–13 μs) 예측되나, 저자들은 낮은 꺼짐 주파수와 긴 어둠진 시간 조건에서도 거의 보편적인 손실을 관측하였으며, 이는 복합체 수명이 크게 과소평가되었거나, 광흡수에 의한 네체계 충돌 복합체의 형성 외에 알려지지 않은 손실 메커니즘이 존재할 가능성을 시사한다.

ABSTRACT

We probe photoinduced loss for chemically stable bosonic ^{23}Na^{87}Rb and ^{23}Na^{39}K molecules in chopped optical dipole traps, where the molecules spend a significant time in the dark. We expect the effective two-body decay to be significantly suppressed due to the small expected complex lifetimes of about 13 and 6 μs for ^{23}Na^{87}Rb and ^{23}Na^{39}K, respectively. However, instead we do not observe any suppression of the two-body loss in parameter ranges where large loss suppressions are expected. We believe these unexpected results are most probably due to drastic underestimation of the complex lifetime by at least 1-2 orders of magnitude.

연구 동기 및 목표

• 초냉각 비반응성 분자에서 네체계 충돌 복합체의 광유도가 주요 손실 메커니즘인지 검증하는 것.
• ODT 강도를 조절하고 어둠진 시간을 변화시켜 복합체 수명을 측정하는 것.
• Christianen 등이 제안한 광유도 손실 모델과 일치하는지 초냉각 분자에서 관측된 두체 손실이 일치하는지 검증하는 것.
• 이론적 예측된 복합체 수명이 $^{23}$Na$^{87}$Rb 및 $^{23}$Na$^{39}$K와 같은 경량 분자 종에서 정확한지 조사하는 것.
• 꺼짐 있는 ODT에서의 손실 동역학이 예측과 다름을 보일 경우, 알려지지 않은 손실 경로 또는 복합체 수명이 과소평가되었을 가능성을 탐색하는 것.

제안 방법

• 주기적인 어둠진 단계를 만들기 위해 정사각형 파형 강도 변조를 사용한 꺼짐 있는 광학적 드롭 트랩(ODT)을 활용하여 복합체 수명 측정을 위한 손실 억제를 가능하게 하였다.
• 트랩의 켜진 단계 동안 선택적으로 분자를 광흡수 및 제거하기 위해 1064 nm '살해 빔'을 사용하여 상대적 수량 증가를 측정하였다.
• 꺼짐 주파수($f_{\rm mod}$)와 듀티 사이클($\eta$)을 변화시켜 효과적인 어둠진 시간($t_{\rm d}$)을 조절하고 복합체 수명 의존성에 대해 시험하였다.
• 재현성 확보 및 실험적 오류 제거를 위해 하노버와 홍콩의 두 개 별도 실험 장치에서 실험을 수행하였다.
• 꺼짐 주파수 및 강도에 따른 상대적 수량 증가 $N_{\rm mod}/N_{\rm cw} - 1$ 를 측정하였으며, 꺼짐 트랩과 연속파(cw) 트랩 조건을 비교하였다.
• 광유도 손실이 주요 메커니즘이라고 가정할 때 어둠진 단계에서 관측된 최대 수량 증가를 분석하여 복합체 수명의 하한을 추출하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 초냉각 상태의 $^{23}$Na$^{87}$Rb 및 $^{23}$Na$^{39}$K 분자에서 네체계 충돌 복합체의 광유도가 두체 손실을 지배하는가?
• RQ2 어둠진 시간이 예측된 복합체 수명을 초과할 경우, 꺼짐 있는 ODT에서 관측된 두체 손실이 억제되는가?
• RQ3 꺼짐 트랩에서의 손실 동역학을 기반으로 $^{23}$Na$^{87}$Rb 및 $^{23}$Na$^{39}$K의 효과적 복합체 수명은 얼마인가?
• RQ4 경량 분자 종에서 복합체 수명에 대한 이론적 예측이 실험 관측과 일치하는가?
• RQ5 지속적인 거의 보편적인 손실을 설명하기 위해 알려지지 않은 손실 메커니즘 또는 복합체 수명의 심각한 과소평가가 존재할 수 있는가?

주요 결과

• 조금도 손실 억제가 관측되지 않았으며, $^{23}$Na$^{87}$Rb 및 $^{23}$Na$^{39}$K 모두에서 꺼짐 주파수 1 kHz 이하 및 예측된 복합체 수명의 10배 이상 어둠진 시간 조건에서도 마찬가지였다.
• 모든 꺼짐 주파수 및 듀티 사이클에서 상대적 수량 증가가 0과 일치하여, 손실에 주파수 의존성이 없음을 확인하였으며, 이는 광흡수 모델의 예측과 반대되는 결과였다.
• $^{23}$Na$^{39}$K의 복합체 수명에 대한 하한은 $\tau_{\rm c,NaK} \geq 0.35\,$ms로 추정되었으며, 이는 예측된 $6\,$μs보다 훨씬 높았다.
• $^{23}$Na$^{87}$Rb의 복합체 수명에 대한 하한은 $\tau_{\rm c,NaRb} \geq 1\,$ms로 추정되었으며, 이는 예측된 $13\,$μs보다 훨씬 높았다.
• 모든 데이터를 종합하면 $^{23}$Na$^{39}$K의 복합체 수명은 $>1\,$ms, $^{23}$Na$^{87}$Rb는 $>4\,$ms로 추정되었으며, 이는 현재 모델에서 복합체 수명이 크게 과소평가되었음을 시사한다.
• 결과는 두 개의 별도 실험 장치에서 일관되며, 페르미온성 $^{23}$Na$^{40}$K에서도 유사한 결과가 관측되어 특정 분자 종을 넘어서 보편적인 문제임을 뒷받침한다.