[论文解读] Observation of Bose-Einstein Condensation of Dipolar Molecules

Niccolò Bigagli, Weijun Yuan+5 more|arXiv (Cornell University)|Dec 18, 2023

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates参考文献 58被引用 6

一句话总结

该论文首次报道了通过增强微波碰撞屏蔽抑制双体和三体损失，实现了偶极钠-铯（NaCs）分子的玻色-爱因斯坦凝聚（BEC）。该BEC通过蒸发冷却在6(2) nK的温度下形成，凝聚分数为60(10)%，相空间密度超过1，寿命接近2秒，从而实现了强偶极量子物质区域的探索。

ABSTRACT

Ensembles of particles governed by quantum mechanical laws exhibit fascinating emergent behavior. Atomic quantum gases, liquid helium, and electrons in quantum materials all show distinct properties due to their composition and interactions. Quantum degenerate samples of bosonic dipolar molecules promise the realization of novel phases of matter with tunable dipolar interactions and new avenues for quantum simulation and quantum computation. However, rapid losses, even when reduced through collisional shielding techniques, have so far prevented cooling to a Bose-Einstein condensate (BEC). In this work, we report on the realization of a BEC of dipolar molecules. By strongly suppressing two- and three-body losses via enhanced collisional shielding, we evaporatively cool sodium-cesium (NaCs) molecules to quantum degeneracy. The BEC reveals itself via a bimodal distribution and a phase-space-density exceeding one. BECs with a condensate fraction of 60(10) % and a temperature of 6(2) nK are created and found to be stable with a lifetime close to 2 seconds. This work opens the door to the exploration of dipolar quantum matter in regimes that have been inaccessible so far, promising the creation of exotic dipolar droplets, self-organized crystal phases, and dipolar spin liquids in optical lattices.

研究动机与目标

• 实现玻色子偶极分子的量子简并，尽管数十年来因快速损失而受阻。
• 克服超冷偶极分子（尤其是NaCs）中双体和三体损失的挑战，这些分子虽化学稳定但仍受非弹性碰撞影响。
• 证明增强微波碰撞屏蔽可充分抑制损失，从而实现通过蒸发冷却形成BEC。
• 建立稳定、长寿命的偶极BEC，作为量子模拟和奇异量子相探索的平台。

提出的方法

• 采用双微波编织方案，利用圆极化（σ⁺）和线极化（π）场相干耦合NaCs分子的旋转能级|J,mJ⟩ = |0,0⟩, |1,0⟩, 和 |1,1⟩。
• 设计一种屏蔽的布居态，使π和σ⁺场在垂直方向诱导的偶极矩相互抵消，从而抑制偶极相互作用并减少损失通道。
• 通过逐渐降低光阱深度实施蒸发冷却，以去除最热的分子，实现量子简并。
• 利用飞行时间膨胀成像识别BEC形成，通过双峰动量分布和相空间密度超过1来确认。
• 使用包含一和双体损失速率的动能模型拟合损失动力学，以提取凝聚态寿命和损失系数。
• 测量BEC的温度、凝聚分数和峰值密度，以确认量子简并性和稳定性。

实验结果

研究问题

• RQ1 尽管存在强烈的非弹性碰撞损失，是否仍可实现偶极分子的玻色-爱因斯坦凝聚？
• RQ2 增强微波碰撞屏蔽在超冷NaCs分子中能在多大程度上抑制双体和三体损失，以实现蒸发冷却？
• RQ3 在增强屏蔽条件下，偶极BEC可达到的温度、凝聚分数和寿命是多少？
• RQ4 偶极相互作用如何影响BEC的膨胀动力学和稳定性？
• RQ5 该系统能否作为强关联偶极相量子模拟的稳定平台？

主要发现

• 成功制备了偶极NaCs分子的玻色-爱因斯坦凝聚，通过飞行时间图像中的双峰动量分布得到证实。
• BEC达到6(2) nK的温度，凝聚分数为60(10)%，表明具有高度的量子简并性。
• 相空间密度超过1，是超冷气体中量子简并的关键标志。
• 在浅光阱中，凝聚态的1/e寿命为1.8秒，显示出极高的稳定性。
• 测得双体损失速率为β₂B = 3(1)×10⁻¹³ cm³/s，比未屏蔽分子低四个数量级。
• 系统达到峰值密度2.0(5)×10¹² cm⁻³，使偶极量子相（如液滴和超固态）的实现成为可能。