[논문 리뷰] Sub-second production of a quantum degenerate gas

Gregory Phelps, Anne Hébert외 6명|arXiv (Cornell University)|2020. 07. 21.

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates참고 문헌 37인용 수 11

한 줄 요약

이 논문은 800ms 내로 8×10⁴ ¹⁶⁸Er 원자로 구성된 보즈아인슈타인 응축물(BEC)을, 응축분율 85%로 생성하는 데에 새로운 방법을 제시한다. 또한 ¹⁶⁷Er에 대해선 4초 내로 디그레지드 페르미 가스를 생성한다. 좁은 선폭 레이저 냉각, 조절 가능한 광학 이형도 트랩(ODT), 최적화된 증발 냉각을 조합함으로써, 대량 원자수를 갖는 시스템에서 기록적인 사이클 속도를 달성하여 고반복률 양자 시뮬레이션을 가능하게 한다.

ABSTRACT

Realizing faster experimental cycle times is important for the future of quantum simulation. The cycle time determines how often the many-body wave-function can be sampled, defining the rate at which information is extracted from the quantum simulation. We demonstrate a system which can produce a Bose-Einstein condensate of $8 imes 10^4$ $^{168} ext{Er}$ atoms with approximately 85% condensate fraction in 800 ms and a degenerate Fermi gas of $^{167} ext{Er}$ in 4 seconds, which are unprecedented times compared to many existing quantum gas experiments. This is accomplished by several novel cooling techniques and a tunable dipole trap. The methods used here for accelerating the production of quantum degenerate gases should be applicable to a variety of atomic species and are promising for expanding the capabilities of quantum simulation.

연구 동기 및 목표

• 초냉각 양자 기체 실험의 사이클 시간을 극적으로 단축시켜 다체파동함수의 고빈도 샘플링을 가능하게 하기 위해.
• 기존의 양자 기체 장치에서 일반적으로 10~60초가 소요되는 느린 증발 냉각의 한계를 극복하기 위해.
• 보스 및 페르미 입자 모두를 포함한 여러 에르븀 동위원소에 적용 가능한 확장 가능한 방법을 개발하기 위해.
• 기존의 전면 광학 및 하이브리드 냉각 기술을 뛰어넘는 최소한의 시간 내에 높은 응축분율과 큰 원자수를 달성하기 위해.
• 허브 모델 탐색 및 대규모 라이드버그 트위저 어레이 로딩과 같은 향후 양자 시뮬레이션 실험을 위해 드리프트를 줄이고 데이터 수집 속도를 높이기 위해.

제안 방법

• 초기 포획 및 ¹⁶⁸Er 원자의 편광을 위해 583 nm에서 2π×190 kHz의 선폭을 갖는 5빔 좁은 선폭 자기광학 트랩(MOT)의 구현.
• 841 nm MOT(선폭 2π×8 kHz)로의 이송 이전에 효율적인 냉각을 위한 401 nm 제만 슬로워 및 2D 모라스의 사용.
• 변동 가능한 빔 지름을 갖는 조절 가능한 1064 nm 광학 이형도 트랩(ODT)으로 841 nm MOT에서의 원자 이송.
• 강한 강도 기울기로 인한 차별적 AC 스타크 시프트를 보완하기 위한 차별적 AC 스타크 시프트 보상 기법의 적용.
• 에너지가 높은 원자를 제거하기 위해 시간에 따라 변화하는 트랩 깊이를 사용한 ODT 내 증발 냉각으로, BEC의 경우 800ms 내, 페르미 가스의 경우 4초 내로 양자 디그레지드 상태를 달성.
• 수평 ODT의 빔 지름을 조절할 수 있는 조절 가능한 렌즈 시스템을 사용하여, 다양한 동위원소에 적합한 트랩 깊이 및 산란 단면적을 최적화.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 에르븀에서 대규모 고정도 보즈아인슈타인 응축물을 1초 이내로 생성하는 것이 가능한가?
• RQ2 응축분율을 유지하면서 원자 손실을 최소화하고, 디폴 트랩 내에서 증발 냉각을 어떻게 가속화할 수 있는가?
• RQ3 유사한 짧은 시간 내에 ¹⁶⁷Er와 같은 페르미 동위원소를 위한 디그레지드 페르미 가스를 생성하기 위해 동일한 냉각 및 포획 기법을 확장할 수 있는가?
• RQ4 강한 차별적 AC 스타크 시프트 하에서 ODT 내 원자를 냉각하기 위해 좁은 선폭 레이저 냉각 기술을 얼마나 효과적으로 활용할 수 있는가?
• RQ5 적절한 증발 램프 및 트랩 매개변수 조정을 통해 모든 에르븀 동위원소, 특히 가장 적은 존재비를 갖는 ¹⁶²Er까지도 이 방법을 일반화할 수 있는가?

주요 결과

• 8×10⁴ ¹⁶⁸Er 원자로 구성된 보즈아인슈타인 응축물이 800ms 내에 응축분율 85%로 생성되었으며, 일반 실험 대비 10~100배의 속도 향상을 나타낸다.
• 증발 270ms 후 응축분율이 92%에 도달하여 사이클 시간 내에 거의 순수한 BEC 형성이 이루어졌음을 시사한다.
• 1.5×10⁵ ¹⁶⁷Er 원자로 구성된 디그레지드 페르미 가스가 4초 내에 생성되었으며, T/T_F ≈ 0.25로 이전의 디폴 페르미 가스 제작 방법보다 현저히 빠르다.
• MOT 로딩 및 증발 시간을 단축시켜 700ms 이내에 순수한 BEC(2×10⁴ 원자)를 생성할 수 있었다.
• ODT로의 대량 원자수 이행 효율이 높았으며, 사이클 시간을 연장함으로써 BEC에서 최대 10⁶ 개의 원자까지의 확장 가능성을 입증하였다.
• 적절한 증발 램프 및 트랩 매개변수 조정을 통해 이 방법은 ¹⁶²Er를 포함한 모든 에르븀 동위원소로 일반화 가능하다.