[论文解读] Photoassociation of long-range $nD$ Rydberg molecules

David Anderson, Stephanie Miller+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 10, 2014

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates被引用 11

一句话总结

本研究通过光缔合首次观测到超冷 $^{87}$Rb 原子中长程同核 $nD$ 瑞德堡分子，证实 $nD$ 型分子的结合能大于其 $nS$ 对应物。该体系在低 $n$ 时主导为洪特定则 (a)，在高 $n$ 时转变为洪特定则 (c)，结合能随 $n_{\text{eff}}^{-6}$ 缩放（低 $n$ 时）和 $n_{\text{eff}}^{-3}$ 缩放（高 $n$ 时），并从实验数据确定 s 波散射长度为 $a_{s0} = -14 \pm 0.5\,a_0$。

ABSTRACT

We observe long-range homonuclear diatomic $nD$ Rydberg molecules photoassociated out of an ultracold gas of $^{87}$Rb atoms for 34$\le n \le$40. The measured ground-state binding energies of $^{87}$Rb$(nD-5S_{1/2})$ molecular states are larger than those of their $^{87}$Rb$(nS-5S_{1/2})$ counterparts, showing the dependence of the molecular bond on the angular momentum of the Rydberg atom. We exhibit the transition of $^{87}$Rb$(nD-5S_{1/2})$ molecules from a molecular-binding-dominant regime at low $n$ to a fine-structure-dominant regime at high $n$ [akin to Hund's cases (a) and (c), respectively]. In the analysis the fine structure of the $nD$ Rydberg atom and the hyperfine structure of the $5S_{1/2}$ atom are included.

研究动机与目标

• 通过超冷 $^{87}$Rb 原子中的光缔合，观测并表征长程 $nD$ 瑞德堡分子。
• 研究瑞德堡电子角动量 ($\ell = 2$) 对分子结合能的依赖关系。
• 绘制分子态 $nD-5S_{1/2}$ 中洪特定则 (a) 与 (c) 的转变随主量子数 $n$ 的变化。
• 从实验结合能数据确定 s 波散射长度 $a_{s0}$，并与理论预测进行比较。
• 分析精细结构与超精细结构在塑造分子势能与能级结构中的作用。

提出的方法

• 将超冷 $^{87}$Rb 原子制备在磁阱态 ($|F=2, m_F=2\rangle$)，温度 $\leq 17~\mu\text{K}$，峰值密度 $\gtrsim 5 \times 10^{11}~\text{cm}^{-3}$。
• 利用波长为 780 nm 和 480 nm 的两光子激发，实现对 $nD$ 瑞德堡态的跃迁，其中 780 nm 光束保持非共振以最小化加热效应。
• 480 nm 激光被扫描以激发瑞德堡原子与分子，总激发带宽约为 $\approx 2~\text{MHz}$。
• 通过六个独立控制的电极实现电场调控，将斯塔克位移最小化，残余电场 $\lesssim 200~\text{mV/cm}$。
• 通过电场电离实现瑞德堡态与分子的电离，离子通过微通道板探测。
• 理论建模采用费米型赝势 $V_{\text{pseudo}} = 2\pi a_s \delta^3(\mathbf{r} - \mathbf{R})$ 描述瑞德堡态与基态间的相互作用，通过调节 $a_{s0}$ 使其与实验结合能相匹配。

实验结果

研究问题

• RQ1 与 $nS-5S_{1/2}$ 分子相比，$nD-5S_{1/2}$ 瑞德堡分子的结合能有何不同？
• RQ2 在何种 $n$ 值时，分子结合能从受精细结构主导（洪特定则 a）转变为由精细结构主导（洪特定则 c）？
• RQ3 $nD-5S_{1/2}$ 体系的 s 波散射长度 $a_{s0}$ 是多少？与已发表值相比如何？
• RQ4 $nD$ 型分子的电偶极矩与磁偶极矩如何随 $n$ 变化？与 $nS$ 型分子有何差异？
• RQ5 超精细结构与精细结构在 $nD-5S_{1/2}$ 分子能级结构中起何种作用？

主要发现

• 测得的 $^{87}$Rb $(nD-5S_{1/2})$ 分子基态结合能大于其 $nS-5S_{1/2}$ 对应物，证实了由于 $\ell = 2$ 瑞德堡态导致的增强结合。
• 体系在低 $n$ 时为洪特定则 (a)，在高 $n$ 时转变为洪特定则 (c)，高 $n$ 时 $\nu=0$ 态下 $D_{3/2}$ 与 $D_{5/2}$ 能级的结合能比值趋近于 $2/3$。
• 确定散射长度为 $a_{s0} = -14 \pm 0.5~a_0$，与已发表值范围 $-13$ 至 $-19.48~a_0$ 一致。
• $nD_{3/2}$ 分子的 $\nu=0$ 结合能缩放关系为 $84.2~\text{GHz}/n_{\text{eff}}^{6.13}$，与洪特定则 (a) 预期的 $n_{\text{eff}}^{-6}$ 缩放一致。
• $nD_{5/2}$ 分子在低 $n$ 时结合能缩放关系为 $23~\text{MHz}/n_{\text{eff}}^{3.6}$，在高 $n$ 时趋近于 $n_{\text{eff}}^{-3}$ 缩放，表明向洪特定则 (c) 的转变。
• $nD_{3/2}$ 分子的电偶极矩缩放关系约为 $n_{\text{eff}}^{-2}$，与 $nS$ 型分子相似；而 $nD_{5/2}$ 分子的电偶极矩无明显缩放规律，归因于洪特定则转变。