[论文解读] Quantum degenerate Bose-Fermi mixture of chemically different atomic species with widely tunable interactions

Jee Woo Park, Cheng-Hsun Wu+4 more|DSpace@MIT (Massachusetts Institute of Technology)|Oct 20, 2011

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates被引用 11

一句话总结

本研究展示了在超过30个可调谐的s波和p波费什巴赫共振（包括由于大负三重态散射长度导致的异常宽共振）条件下，实现23Na与40K原子的量子简并玻色-费米混合物。该系统可形成化学稳定、具有强长程相互作用的偶极23Na–40K分子，为研究偶极费米气体和多体量子物态开辟了新途径。

ABSTRACT

We have created a quantum degenerate Bose-Fermi mixture of 23Na and 40K with widely tunable interactions via broad interspecies Feshbach resonances. Twenty Feshbach resonances between 23Na and 40K were identified. The large and negative triplet background scattering length between 23Na and 40K causes a sharp enhancement of the fermion density in the presence of a Bose condensate. As explained via the asymptotic bound-state model (ABM), this strong background scattering leads to a series of wide Feshbach resonances observed at low magnetic fields. Our work opens up the prospect to create chemically stable, fermionic ground state molecules of 23Na-40K where strong, long-range dipolar interactions will set the dominant energy scale.

研究动机与目标

• 实现23Na与40K两种化学性质不同的原子物种的量子简并混合物，以研究强关联量子系统。
• 识别并表征23Na与40K之间的s波和p波费什巴赫共振，特别是低磁场区域的特性。
• 探索形成具有大电偶极矩的稳定费米态23Na–40K分子的潜力。
• 实现玻色子介导的相互作用、费米子极化子以及光学晶格中新型量子物态的研究。
• 展示通过23Na对40K进行sympathetic冷却，并在多组分原子陷阱中采用新型驻留技术抑制损失。

提出的方法

• 采用双Zeeman慢化器装置，将23Na和40K原子同时加载至超高真空室中，实现高相空间密度。
• 对23Na使用暗斑磁光阱（MOT），对40K使用标准MOT，随后通过梯度减小的磁阱实现捕获，以最小化光辅助碰撞和自旋翻转碰撞。
• 实施一种驻留技术：将23Na通过光学泵浦至|2,2⟩态并捕获在磁阱中，从而在40K加载过程中防止非期望碰撞。
• 通过飞行时间吸收成像观测40K费米气体因与23Na玻色-爱因斯坦凝聚体相互作用而产生的密度增强。
• 采用渐近束缚态模型（ABM）分析费什巴赫共振，包括单重-三重态耦合与虚态效应，拟合参数包括波函数重叠和散射长度。
• 进行耦合通道计算与经验高斯拟合，以解析p波共振的三重态结构，特别是在低磁场区域的特性。

实验结果

研究问题

• RQ1 23Na与40K之间的费什巴赫共振的性质与数量是什么？其与超精细态的关系如何？
• RQ2 为何23Na–40K体系中的s波费什巴赫共振异常宽？三重态散射长度在此中起何作用？
• RQ3 该体系中的p波费什巴赫共振是否可分辨为多重态？这揭示了何种分子态结构信息？
• RQ4 形成具有大电偶极矩的稳定偶极23Na–40K分子的潜力如何？
• RQ5 如何优化23Na对40K的sympathetic冷却，以在混合系统中实现量子简并？

主要发现

• 在23Na与40K之间识别出超过30个s波和p波费什巴赫共振，包括在|F=1,mF=1⟩ + |F=9/2,mF=−5/2⟩态配置下，位于138 G处的宽s波共振，其宽度约为30 G。
• p波共振表现出三重态结构，19.1 G共振被分辨为三个组分，证实了近简并态下存在多个分子态。
• 提取出大负三重态散射长度aₜ = −830(70) a₀，通过渐近束缚态模型中强耦合至虚态的机制，解释了共振的宽幅特性。
• 精确测定三重态s波束缚态能量为Eₜˢ = −1654(3) MHz，p波束缚态能量为Eₜᵖ = −1478(7) MHz，与理论预测一致。
• 该体系支持形成化学稳定的23Na–40K分子，其具有2.72(6) D的永久偶极矩，可实现长程偶极相互作用。
• 通过ABM的理论建模成功再现了共振位置与宽度，对八个最窄的s波共振进行拟合，得到一致的散射长度与能量尺度。