[论文解读] Raman-induced oscillation between an atomic and a molecular quantum gas

Changhyun Ryu, Xixun Du+5 more|arXiv (Cornell University)|Aug 8, 2005

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates被引用 10

一句话总结

该论文展示了在光晶格中的莫特绝缘体态下，原子与分子量子气体之间相干拉曼诱导的振荡。通过抑制退相干机制，作者观测到与量子化位点占据数相关的离散拉曼跃迁，并在气体中心区域解析出相干振荡，从而实现了对位点占据分布和原子-分子散射长度的精确测量。

ABSTRACT

It has recently been demonstrated that quantum degenerate gases of very weakly bound molecules can be produced by atomic gases with Feshbach resonances. More strongly bound molecules can be produced with Raman photoassociation of a quantum gas, although this process has not yet been shown to produce a quantum degenerate molecular gas. In principle, Feshbach resonance and Raman photoassociation can be quantum-mechanically reversible, and lead to collective coherent phenomena such as Rabi cycling between an atomic and a molecular gas. However, such atom-molecular coherence has only partly been realized experimentally. Effects that may limit coherence include thermalizing elastic collisions, inelastic collisions, spontaneous Raman scattering, and pairing field formation. Here, we demonstrate a method that circumvents these limitations, based on Raman photoassociation of atoms in an optical lattice and driven into a Mott insulator state. We find that the Raman photoassociation transition is resolved into discrete lines corresponding to the quantized lattice site occupancies, and demonstrate that this provides a new method to accurately determine the distribution of site occupancies and the atom-molecule scattering length. Furthermore, we observe a Raman-induced oscillation of the central core of the gas, containing about 30% of the atoms, between an atomic and a molecular gas.

研究动机与目标

• 在退相干挑战下实现原子与分子量子气体之间的相干拉曼诱导振荡。
• 克服超冷原子系统中热化碰撞、非弹性过程和自发散射的限制。
• 利用光晶格中的莫特绝缘体态抑制退相干，实现分辨的拉曼跃迁。
• 开发一种精确测定超冷量子气体中位点占据分布的方法。
• 通过受控晶格环境中的分辨拉曼光谱测量原子-分子散射长度。

提出的方法

• 采用拉曼光致结合技术，在简并量子气体中驱动原子与分子态之间的相干跃迁。
• 通过强光晶格势阱制备系统于莫特绝缘体态，以局域原子并抑制非相干过程。
• 将拉曼跃迁分辨为对应于不同晶格位点占据数（例如每格点1、2、3个原子）的离散谱线。
• 利用分辨的谱线推断气体中心区域的位点占据分布。
• 应用时间分辨拉曼驱动，观测原子与分子组分之间的相干振荡。
• 通过分析拉曼跃迁频率及其与位点占据数的依赖关系，测量原子-分子散射长度。

实验结果

研究问题

• RQ1 在主导退相干机制存在的情况下，能否观测到原子与分子量子气体之间的相干拉曼诱导振荡？
• RQ2 在强关联量子气体中，量子化晶格位点占据数如何影响拉曼跃迁谱？
• RQ3 能否利用分辨拉曼光谱精确测定莫特绝缘体中位点占据分布？
• RQ4 在强相互作用的超冷气体中，原子-分子散射长度是多少？能否从拉曼光谱中提取该值？
• RQ5 莫特绝缘体态在多大程度上抑制退相干并实现原子-分子相干动力学？

主要发现

• 在包含约30%原子的气体中心区域，观测到原子与分子态之间的拉曼诱导振荡。
• 拉曼跃迁谱被分辨为对应于不同晶格位点占据数（每格点1、2、3个原子）的离散谱线，实现了对位点占据数的精确测定。
• 观测到的拉曼谱线使原子-分子散射长度得以精确测量。
• 莫特绝缘体态有效抑制了退相干，使此前受非弹性与弹性碰撞限制的相干振荡得以观测。
• 该系统表现出原子与分子态之间的相干循环，证明了在超冷气体中实现受控量子态转移的可行性。
• 分辨的谱线结构证实了多体效应的存在，并为探测光晶格中量子多体态提供了新工具。