[논문 리뷰] Raman-induced oscillation between an atomic and a molecular quantum gas

Changhyun Ryu, Xixun Du외 5명|arXiv (Cornell University)|2005. 08. 08.

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates인용 수 10

한 줄 요약

이 논문은 광학 격자 내에서 Mott 절연체 상태에 있는 원자 및 분자 양자기체 간의 일관된 라만 유도 진동을 실험적으로 입증한다. 비분해성 메커니즘을 억제함으로써 저자들은 양자화된 격자 위치 점유수에 연결된 이산 라만 전이를 관측하고 기체 중심부에서의 일관된 진동을 해석할 수 있었으며, 이는 위치 점유 분포와 원자-분자 산란 길이를 정확하게 측정할 수 있도록 하였다.

ABSTRACT

It has recently been demonstrated that quantum degenerate gases of very weakly bound molecules can be produced by atomic gases with Feshbach resonances. More strongly bound molecules can be produced with Raman photoassociation of a quantum gas, although this process has not yet been shown to produce a quantum degenerate molecular gas. In principle, Feshbach resonance and Raman photoassociation can be quantum-mechanically reversible, and lead to collective coherent phenomena such as Rabi cycling between an atomic and a molecular gas. However, such atom-molecular coherence has only partly been realized experimentally. Effects that may limit coherence include thermalizing elastic collisions, inelastic collisions, spontaneous Raman scattering, and pairing field formation. Here, we demonstrate a method that circumvents these limitations, based on Raman photoassociation of atoms in an optical lattice and driven into a Mott insulator state. We find that the Raman photoassociation transition is resolved into discrete lines corresponding to the quantized lattice site occupancies, and demonstrate that this provides a new method to accurately determine the distribution of site occupancies and the atom-molecule scattering length. Furthermore, we observe a Raman-induced oscillation of the central core of the gas, containing about 30% of the atoms, between an atomic and a molecular gas.

연구 동기 및 목표

• 비분해성 도전 과제에도 불구하고 원자 및 분자 양자기체 간의 일관된 라만 유도 진동을 달성하기 위해.
• 초냉각 원자 시스템에서 열화하는 충돌, 비탄성 과정, 자발적 산란으로 인한 제한을 피하기 위해.
• 광학 격자 내에서 Mott 절연체 상태를 활용하여 비분해성을 억제하고 해상도 있는 라만 전이를 가능하게 하기 위해.
• 초냉각 양자기체의 위치 점유 분포를 정확히 결정하는 방법을 개발하기 위해.
• 통제된 격자 환경에서 해상도 있는 라만 스펙트로스코피를 사용하여 원자-분자 산란 길이를 측정하기 위해.

제안 방법

• 퇴적된 양자기체에서 원자 및 분자 상태 간의 일관된 전이를 유도하기 위해 라만 광학 연계를 활용하였다.
• 강한 광학 격자 위치 에너지를 통해 원자를 국소화하고 비일관 과정을 억제하기 위해 시스템을 Mott 절연체 상태로 준비하였다.
• 다른 격자 위치 점유수(예: 1, 2, 3개 원자/위치)에 해당하는 이산 선으로 분리된 라만 전이를 해결하였다.
• 해상도 있는 스펙트럼 선을 이용해 기체 중심부의 위치 점유 분포를 유추하였다.
• 시간 해상도를 가진 라만 구동을 적용하여 원자 및 분자 성분 간의 일관된 진동을 관측하였다.
• 위치 점유수에 따른 라만 전이 주파수의 의존성 분석을 통해 원자-분자 산란 길이를 측정하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 지배적인 비분해성 메커니즘 존재 하에서 원자 및 분자 양자기체 간의 일관된 라만 유도 진동을 관측할 수 있는가?
• RQ2 강한 상관관계가 있는 양자기체에서 양자화된 격자 위치 점유수는 라만 전이 스펙트럼에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 해상도 있는 라만 스펙트로스코피를 사용하여 Mott 절연체 내의 위치 점유 분포를 정확히 결정할 수 있는가?
• RQ4 강한 상호작용을 보이는 초냉각 기체에서의 원자-분자 산란 길이는 얼마이며, 라만 스펙트럼으로부터 이를 추출할 수 있는가?
• RQ5 Mott 절연체 상태는 비분해성을 어느 정도 억제하고 일관된 원자-분자 동역학을 가능하게 하는가?

주요 결과

• 약 30%의 원자를 포함하는 기체 중심부에서 원자 및 분자 상태 간의 라만 유도 진동이 관측되었다.
• 라만 전이 스펙트럼은 서로 다른 격자 위치 점유수(1, 2, 3개 원자/위치)에 해당하는 이산 선으로 분리되어 위치 점유수의 정밀한 결정이 가능해졌다.
• 관측된 라만 선을 통해 원자-분자 산란 길이를 정확하게 측정할 수 있었다.
• Mott 절연체 상태는 비분해성을 효과적으로 억제하여 이전에는 비탄성 및 탄성 충돌로 인해 제한되었던 일관된 진동 관측이 가능하게 하였다.
• 시스템은 원자 및 분자 상태 간의 일관된 순환을 보였으며, 초냉각 기체에서 제어 가능한 양자 상태 이행의 가능성을 입증하였다.
• 해상도 있는 스펙트럼 구조는 다체 효과의 존재를 확인하였으며, 광학 격자 내에서 양자 다체 상태를 탐색하는 데 새로운 도구를 제공하였다.