[论文解读] Quantum Control of Trapped Polyatomic Molecules for eEDM Searches

Loïc Anderegg, Nathaniel B. Vilas+5 more|arXiv (Cornell University)|Jan 20, 2023

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates参考文献 48被引用 5

一句话总结

本文展示了对超冷囚禁的CaOH分子实现相干量子控制，为电子电偶极矩（eEDM）搜索提供新方法。通过利用可调电场将分子制备在零g因子自旋态，该方法抑制了磁场噪声，同时保持对eEDM的敏感性，实现了30 ms的自旋进动相干时间——这对高灵敏度T破坏性物理搜索至关重要。

ABSTRACT

Ultracold polyatomic molecules are promising candidates for experiments in quantum science, quantum sensing, ultracold chemistry, and precision measurements of physics beyond the Standard Model. A key, yet unrealized, requirement of these experiments is the ability to achieve full quantum control over the complex internal structure of the molecules. Here, we establish coherent control of individual quantum states in a polyatomic molecule, calcium monohydroxide (CaOH), and use these techniques to demonstrate a method for searching for the electron electric dipole moment (eEDM). Optically trapped, ultracold CaOH molecules are prepared in a single quantum state, polarized in an electric field, and coherently transferred into an eEDM sensitive state where an electron spin precession measurement is performed. To extend the coherence time of the measurement, we utilize eEDM sensitive states with tunable, near-zero magnetic field sensitivity. The spin precession coherence time is limited by AC Stark shifts and uncontrolled magnetic fields. These results establish a path for eEDM searches with trapped polyatomic molecules, towards orders-of-magnitude improved experimental sensitivity to time-reversal-violating physics.

研究动机与目标

• 实现对囚禁多原子分子内部态的完整量子控制，以实现精密测量。
• 利用超冷囚禁的CaOH分子实现电子电偶极矩（eEDM）搜索。
• 通过可调电场实现的零g因子态，抑制eEDM测量中的磁场噪声。
• 通过最小化横向和残余磁场，延长自旋进动相干时间。
• 为多原子分子中的eEDM测量开发系统性误差抑制策略。

提出的方法

• 使用光学捕获和激光冷却将CaOH分子冷却至超低温。
• 利用微波驱动和光学泵浦将分子制备在单一超精细态。
• 施加静态电场以极化分子，并调节至磁敏感性被抑制的近零g因子态。
• 使用微波脉冲相干制备对eEDM敏感的零g因子自旋态叠加。
• 通过迭代最小化进动频率，实现$B_X$和$B_Y$磁场的横向场抵消。
• 使用通量门磁力仪的主动反馈补偿长期磁场漂移。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在囚禁的多原子分子中实现单个量子态的相干控制？
• RQ2 能否利用CaOH中的零g因子态在保持eEDM敏感性的同时抑制磁场噪声？
• RQ3 什么限制了囚禁分子系统中的自旋进动相干时间？
• RQ4 如何最小化横向磁场以保持进动对比度和频率精度？
• RQ5 能否通过多次零g因子交叉点抑制非可逆磁场引起的系统性误差？

主要发现

• 在60.3 V/cm电场和2 mG偏置磁场条件下，实现了30 ms的自旋进动相干时间，受限于交流斯塔克位移和残余磁场。
• 通过迭代抵消$B_X$和$B_Y$磁场，横向磁场被降低至约1 mG，最小化了进动频率和对比度损失。
• 60 Hz的磁场波动，其振幅与$B_Z$相当，导致时间依赖的进动，通过实时磁力仪反馈得以校正。
• 通过调节电场，有效g因子被调至接近零，降低了对$\delta B_Z$的敏感性。
• 非可逆磁场引起的系统性误差估计约为30 μHz，低于当前统计灵敏度，但可通过多次零g因子交叉点进一步抑制。
• 该协议可推广至其他多原子分子，并使eEDM灵敏度相比现有方法提升数个数量级。