[论文解读] Clock-line photoassociation of strongly bound dimers in a magic-wavelength lattice

Oscar Bettermann, Nelson Darkwah Oppong+4 more|arXiv (Cornell University)|Mar 24, 2020

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates被引用 5

一句话总结

该论文通过在魔偶波长光晶格中利用钟跃迁光致结合，直接实现了 $^{171}\text{Yb}$ 中深束缚的 $^{1}\text{S}_0$--$^{3}\text{P}_0$ 分子的光学制备与光谱测量。研究报道了零磁场下分子结合能高达 $h \times 292.1(2)\,\text{kHz}$，在 $1300(44)\,\text{G}$ 处识别出一个轨道Feshbach共振，并表明通过调节光晶格波长可使自由态到束缚态的跃迁对阱深不敏感，从而为分子钟和量子模拟提供了鲁棒的分子态制备方案。

ABSTRACT

We report on the direct optical production and spectroscopy of $^1\mathrm{S}_0\mbox{-}^3\mathrm{P}_0$ molecules with large binding energy using the clock transition of $^{171}\mathrm{Yb}$, and on the observation of the associated orbital Feshbach resonance near $1300\,\mathrm{G}$. We measure the magnetic field dependence of the closed-channel dimer and of the open-channel pair state energy via clock-line spectroscopy in a deep optical lattice. In addition, we show that the free-to-bound transition into the dimer can be made first-order insensitive to the trap depth by choice of the lattice wavelength. Finally, we determine the fundamental intra- and interorbital scattering lengths and probe the stability of the corresponding pair states, finding long lifetimes in both interorbital interaction channels. These results are promising both for molecular clocks and for the preparation of strongly-interacting multiorbital Fermi gases.

研究动机与目标

• 通过利用窄线钟跃迁的光致结合，直接在 $^{171}\text{Yb}$ 中制备并表征深束缚分子对。
• 研究在深三维光晶格中分子态与开放通道对态能级随磁场的变化关系。
• 确定自由态到束缚态跃迁对阱深不敏感的条件，这对分子钟应用至关重要。
• 精确测量不同轨道间的散射长度，并探测多体量子模拟中轨道间成对态的稳定性。
• 探索 $^{171}\text{Yb}$ 作为强关联多轨道费米气体与分子钟平台的潜力。

提出的方法

• 采用三维魔偶波长光晶格，同时将 $^{171}\text{Yb}$ 原子囚禁在 $^{1}\text{S}_0$（基态）与 $^{3}\text{P}_0$（钟态）中，以最小化阱势引起的能级位移。
• 通过驱动 $|g\uparrow\rangle \rightarrow |e\uparrow\rangle$ 跃迁，实现从 $|g\uparrow g\downarrow\rangle$ 对的相干分子态制备。
• 通过测量随磁场（最高达 1600 G）变化的分子态与开放通道对态的能级，进行光谱分析。
• 调节光晶格波长，使光致结合跃迁对阱深实现一阶不敏感，从而最小化系统误差。
• 在低磁场下利用钟跃迁光谱提取自旋-轨道间与轨道内散射长度。
• 通过激发后监测原子数衰减，并对指数衰减模型进行拟合，探测轨道间成对态的寿命。

实验结果

研究问题

• RQ1 在零磁场下，$^{1}\text{S}_0$--$^{3}\text{P}_0$ 分子对中结合能最低的分子态的结合能是多少？
• RQ2 在 $^{171}\text{Yb}$ 中，轨道Feshbach共振（OFR）的位置在哪里？其对相互作用强度有何影响？
• RQ3 通过调节光晶格波长，能否使自由态到束缚态的光致结合跃迁对阱深不敏感？
• RQ4 在 $^{171}\text{Yb}$ 中，轨道内与轨道间散射长度的精确值是多少？
• RQ5 在三维光晶格中，轨道间成对态的寿命有多长？其主要的损失机制是什么？

主要发现

• 在零磁场下，$^{171}\text{Yb}$ 中的分子具有高达 $h \times 292.1(2)\,\text{kHz}$ 的结合能，显著超过此前类似系统中观测到的值。
• 在 $1300(44)\,\text{G}$ 处识别出轨道Feshbach共振（OFR），其行为与单通道模型一致，可实现相互作用的可调谐。
• 通过调节光晶格波长，使自由态到束缚态的光致结合跃迁实现一阶对阱深不敏感，这是分子钟稳定性的关键要求。
• 精确测量了轨道间散射长度，结果表明存在反铁磁自旋交换相互作用，与先前的理论工作定性一致。
• 轨道间 $|eg^{\pm}\rangle$ 成对态的寿命较长，在 $35\,E_{\text{rec}}$ 晶格中，非弹性损失率系数的上限为 $\beta_{eg}^{\pm} \leq 2.6(3)\times 10^{-16}\,\text{cm}^3/\text{s}$。
• $|ee\rangle$ 态表现出快速衰减，双体损失系数为 $\beta_{ee} = 4.8(2.1)\times 10^{-12}\,\text{cm}^3/\text{s}$，凸显了在量子模拟中实现局域化位点制备的必要性。