[论文解读] Controlling a diatomic shape resonance with non-resonant light

Ruzin Ağanoğlu, Mikhail Lemeshko+3 more|arXiv (Cornell University)|May 4, 2011

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates参考文献 4被引用 3

一句话总结

本文提出利用非共振激光光照射，将双原子形状共振能级向阱中冷原子系的温度方向移动，从而增强短程原子对的热布居。通过利用原子对的各向异性极化率，该方法使对密度提升高达两个数量级——在100 μK下87Rb提升10倍，20 μK下88Sr提升100倍，从而通过动态或静态控制方案实现更高效的光缔合。

ABSTRACT

A (diatomic) shape resonance is a metastable state of a pair of colliding atoms quasi-bound by the centrifugal barrier imposed by the angular momentum involved in the collision. The temporary trapping of the atoms' scattering wavefunction corresponds to an enhanced atom pair density at low interatomic separations. This leads to larger overlap of the wavefunctions involved in a molecule formation process such as photoassociation, rendering the process more efficient. However, for an ensemble of atoms, the atom pair density will only be enhanced if the energy of the resonance comes close to the temperature of the atomic ensemble. Herein we explore the possibility of controlling the energy of a shape resonance by shifting it toward the temperature of atoms confined in a trap. The shifts are imparted by the interaction of non-resonant light with the anisotropic polarizability of the atom pair, which affects both the centrifugal barrier and the pair's rotational and vibrational levels. We find that at laser intensities of up to $5 imes 10^{9}$ W/cm$^2$ the pair density is increased by one order of magnitude for $^{87}$Rb atoms at $100 μ$K and by two orders of magnitude for $^{88}$Sr atoms at $20 μ$K.

研究动机与目标

• 通过增加短程原子间距处原子对的热布居，提升超冷原子气体中光缔合的效率。
• 克服超冷系统中形状共振通常能量过高、在典型阱温下难以显著布居的限制。
• 开发一种主动调控形状共振能量位置的方法，无需依赖共振光或特定原子能级结构。
• 通过非共振激光场实现形状共振的可调谐性，从而实现对双粒子反应的相干控制。
• 探索在实验装置中使用飞秒脉冲或恒定场实现共振控制的动态与静态方案。

提出的方法

• 建模非共振光与双原子对各向异性极化率的相互作用，该作用会移动离心势垒并改变转动-振动能级。
• 采用一维有效势模型描述非共振激光场存在下的形状共振，将场视为微扰，以修正有效势垒。
• 在修正势下假设系统达到热平衡，计算热平均对密度随激光强度和场频率的变化。
• 研究动态与静态控制方案：在动态方案中，长非共振激光脉冲绝热地移动共振能量；在静态方案中，施加恒定场以建立新的平衡布居分布。
• 使用短探测脉冲（如飞秒级）检测短距离处增强的对密度，确保其时间尺度远短于转动与平动动力学时间。
• 在强场下考虑重叠共振（如88Sr中J=4与J=8）之间的 avoided crossings，需采用二维转动-振动运动处理，超越一维近似。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否利用非共振光将双原子形状共振能量移至阱温附近，以增强短程原子对的热布居？
• RQ2 双原子对的各向异性极化率在非共振激光辐照下如何介导形状共振的移动？
• RQ3 在实验可行的激光强度下，不同原子种类（如87Rb与88Sr）的热平均对密度最大可增强多少？
• RQ4 在何种条件下可通过非共振激光脉冲实现共振的绝热跟随？其对动态控制的可行性有何影响？
• RQ5 能否利用静态非共振场对原子云进行预处理，以最大化后续光缔合的对密度？

主要发现

• 对于100 μK下的87Rb原子，非共振激光强度达5×10⁹ W/cm²时，热平均对密度提升10倍。
• 对于20 μK下的88Sr原子，相同激光强度使对密度提升100倍，实现两个数量级的改善。
• 当激光诱导的能级位移使形状共振能量与阱温对齐时，增强效果最大，表明达到最优控制条件。
• 由于87Rb的转动周期（约2 μs）长于共振寿命（约100 ns），长非共振脉冲无法实现共振的绝热跟随，限制了动态控制效率。
• 对于88Sr，其转动周期较短（约350 ns），寿命较长（约500 ns），更有利于实现绝热控制，支持动态增强的可行性。
• 在存在多个重叠共振的系统中（如88Sr中J=4与J=8），强激光场诱导 avoided crossings，使部分窄共振特性转移至更宽的共振态，从而增加其寿命和对对密度的贡献。