[论文解读] New opportunites for interactions and control with ultracold lanthanides

Matthew A. Norcia, Francesca Ferlaino|arXiv (Cornell University)|Aug 10, 2021

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates参考文献 116被引用 5

一句话总结

本综述强调了超冷镧系原子特有的f电子组态如何通过强且各向异性的偶极相互作用以及丰富的光学跃迁，实现增强的控制。这些特性使得能够实现如roton模式、自束缚量子液滴和超固态等新型量子物相——已在钬和 erbium 中通过实验实现，可调相互作用使密度调制与全局相位相干共存。

ABSTRACT

Lanthanide atoms have an unusual electron configuration, with a partially filled shell of $f$ orbitals. This leads to a set of characteristic properties that enable enhanced control over ultracold atoms and their interactions: large numbers of optical transitions with widely varying wavelengths and transition strengths, anisotropic interaction properties between atoms and with light, and a large magnetic moment and spin space present in the ground state. These features in turn enable applications ranging from narrow-line laser cooling and spin manipulation to evaporative cooling through universal dipolar scattering, to the observation of a rotonic dispersion relation, self-bound liquid-like droplets stabilized by quantum fluctuations, and supersolid states. In this short review, we describe how the unusual level structure of lanthanide atoms leads to these key features, and provide a brief and necessarily partial overview of experimental progress in this rapidly developing field.

研究动机与目标

• 解释镧系元素内层f壳层电子组态如何导致独特的原子和相互作用特性。
• 识别由镧系原子中大的磁矩和各向异性相互作用所开启的实验与理论机遇。
• 回顾近期在超冷气体中实现偶极量子物相（如液滴和超固态）的实验进展。
• 突出光学跃迁在实现激光冷却、自旋操控以及相互作用调控中的作用。
• 将镧系元素定位为探索超越平均场量子多体现象（包括普适偶极散射和量子液滴形成）的平台。

提出的方法

• 利用镧系元素（如 Dy、Er）巨大的基态磁偶极矩，诱导长程、各向异性的偶极相互作用。
• 利用镧系元素复杂的能级结构，实现从近红外到紫外光谱范围内的多种光学跃迁，用于激光冷却和态制备。
• 应用布喇格光谱和原位成像技术，探测偶极玻色-爱因斯坦凝聚体中的roton色散关系和激发模式。
• 设计陷阱几何形状（如香肠形、小酒杯形）以调节相互作用各向异性，并观察向超固态的相变。
• 利用偶极相互作用和超越平均场效应的理论模型，预测并解释自束缚液滴和超固态的形成。
• 通过Feshbach共振调节接触相互作用，实现接触主导与偶极主导区域之间的交叉，从而观测到量子液滴和超固态。

实验结果

研究问题

• RQ1 镧系元素的f电子组态如何导致大的磁矩和各向异性相互作用？
• RQ2 跨越宽光谱范围的光学跃迁在实现对超冷镧系原子的控制中起到什么作用？
• RQ3 偶极相互作用如何在超冷量子气体中导致roton模式和自束缚液滴的出现？
• RQ4 哪些实验特征可证实超固态中密度调制与全局相位相干的共存？
• RQ5 量子涨落如何稳定液滴并促成偶极系统中超固态的形成？

主要发现

• 镧系原子表现出巨大的磁偶极矩（高达约10个玻尔磁子），可实现长程、各向异性的偶极相互作用，在某些参数区域主导于接触相互作用。
• 镧系元素复杂的能级结构支持从极窄（几Hz）到较宽（数十MHz）的多种光学跃迁，实现灵活的激光冷却和态控制。
• 在偶极玻色-爱因斯坦凝聚体中，通过调节相互作用可在激发谱中观测到roton能谷，该现象通过布喇格光谱测量证实，其特征长度尺度由磁场方向和陷阱几何形状决定。
• 通过量子涨落稳定的自束缚液滴已在钬和铒气体中被实验观测到，当偶极相互作用占主导且接触相互作用被调制至近零时，液滴开始形成。
• 在一维和二维陷阱中实现了超固态，其特征为同时存在周期性密度调制和全局相位相干，通过观测到两种不同的激发模式及低能Goldstone模式得到证实。
• 观测到相位锁定动力学和耗散机制，使液滴间相位同步，从而在超固态中实现长程序，近期已在近圆形陷阱中实现二维超固态。