[论文解读] Narrow-line photoassociation spectroscopy and mass-scaling of bosonic strontium

Benjamin J. Reschovsky, Brandon Ruzic+4 more|arXiv (Cornell University)|Aug 20, 2018

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates参考文献 1被引用 4

一句话总结

本研究通过使用高精度窄线光致结合光谱对 84Sr 和 86Sr 进行研究，提出了一种改进的质心缩放模型，识别出新的束缚态，并将理论与实验的符合度提高到 1 MHz 以内。该模型引入第二个 1u 通道以更准确地再现深势阱，同时测量了 84Sr 0u+ 态的光学 Feshbach 共振参数，发现其共振强度因波函数节点而被抑制。

ABSTRACT

Using new experimental measurements of photoassociation resonances near the $^1\mathrm{S}_0 ightarrow \phantom{ }^3\mathrm{P}_1$ intercombination transition in $^{84}$Sr and $^{86}$Sr, we present an updated study into the mass-scaling behavior of bosonic strontium dimers. A previous mass-scaling model [Borkowski et al., Phys. Rev. A 90, 032713 (2014)] was able to incorporate a large number of photoassociation resonances for $^{88}$Sr, but at the time only a handful of resonances close to the dissociation limit were known for $^{84}$Sr and $^{86}$Sr. In this work, we perform a more thorough measurement of $^{84}$Sr and $^{86}$Sr bound states, identifying multiple new resonances at deeper binding energies out to $E/h=-5$ GHz. We also identify several previously measured resonances that cannot be experimentally reproduced and provide alternative binding energies instead. With this improved spectrum, we develop a mass-scaled model that reproduces the observed binding energies of $^{86}$Sr and $^{88}$Sr to within 1 MHz. In order to accurately reproduce the deeper bound states, our model includes a second $1_u$ channel and more faithfully reproduces the depth of the potential. As determined by the previous mass-scaling study, $^{84}$Sr $0_u^+$ levels are strongly perturbed by the avoided crossing between the $^1\mathrm{S}_0 + \phantom{ }^3\mathrm{P}_1$ $0_u^+$ $(^3Π_u)$ and $^1\mathrm{S}_0 + \phantom{ }^1\mathrm{D}_2$ $0_u^+$ $(^1Σ_u^+)$ potential curves and therefore are not included in this mass-scaled model, but are accurately reproduced using an isotope-specific model with slightly different quantum defect parameters. In addition, the optical lengths of the $^{84}$Sr $0_u^+,\ ν=-2$ to $ν=-5$ states are measured and compared to numerical estimates to characterize their use as optical Feshbach resonances.

研究动机与目标

• 通过将质心缩放模型扩展至包含 84Sr 和 86Sr 中更深的束缚态，改进对玻色型锶二聚体的理论描述。
• 通过重新测量和重新评估结合能，解决先前报道的光致结合共振中的不一致之处。
• 表征 84Sr 0u+ 态的光学长度和展宽参数，以用作光学 Feshbach 共振。
• 理解 84Sr 中光学 Feshbach 共振强度被抑制的原因，特别是散射波函数中的节点结构的作用。
• 通过设计的光学 Feshbach 共振，为未来实现基态分子制备和自旋态依赖的量子调控提供支持。

提出的方法

• 对超冷 84Sr 和 86Sr 样品进行窄线光致结合光谱测量，以映射靠近 1S0 → 3P1 三重态跃迁附近的束缚分子态。
• 通过将激光强度依赖的损失谱拟合到包含光学 Feshbach 共振参数的速率方程模型，提取结合能。
• 基于先前工作的从头计算势能曲线，开发质心缩放势能模型，并通过引入第二个 1u 通道以更准确地再现深束缚态能量。
• 计算理论光学长度（ℓopt/I）并与实验测量值比较，以验证模型并评估共振强度。
• 分析约顿点（Condon point）和经典转折点附近的波函数节点，以解释 84Sr 中光学 Feshbach 共振强度被抑制的原因。
• 严格评估结合能和光学长度测量中的系统误差与统计误差，并将其包含在误差棒中。

实验结果

研究问题

• RQ1 84Sr 和 86Sr 0u+ 分子态的结合能与质心缩放模型的预测相比如何？该模型能否通过引入更深束缚态得到改进？
• RQ2 为何 84Sr 中的光学 Feshbach 共振强度显著低于 86Sr 和 88Sr？波函数节点在其中起到何种作用？
• RQ3 先前报道的 84Sr 和 86Sr 中的光致结合共振在实验中是否仍可重现？其修正后的结合能是多少？
• RQ4 是否可通过单一质心缩放模型在 1 MHz 内准确再现 86Sr 和 88Sr 的结合能？需要进行哪些修改？
• RQ5 光致结合谱线中的残余展宽（η）的来源是什么？运动效应和系统噪声在其中起到何种贡献？

主要发现

• 在 84Sr 和 86Sr 中识别出七个新的光致结合共振，其结合能测量精度达到 ±10 kHz。
• 通过引入第二个 1u 通道并优化势阱深度，质心缩放模型将 86Sr 和 88Sr 的实验结合能再现精度提高到 1 MHz 以内。
• 84Sr 0u+ 谱线受到与 1S0 + 1D2 0u+ 潜在能级的避免交叉强烈扰动，解释了其与质心缩放模型的偏离。
• 84Sr ν = -2 至 -5 的光学 Feshbach 共振强度（ℓopt/I）因波函数节点而被抑制，其中 ν = -4 的强度小于 ν = -5，与理论预测一致。
• 残余展宽（η）与激光强度无关，表明其可能来自系统噪声或运动激发，但确切来源尚不明确。
• 84Sr ν = -2 共振的光学长度测量值为 510(61) a₀/(W/cm²)，显著低于 86Sr 和 88Sr 中观测到的约 10⁴ a₀/(W/cm²)，这归因于约顿点靠近背景散射长度。