[论文解读] Sub-second production of a quantum degenerate gas

Gregory Phelps, Anne Hébert+6 more|arXiv (Cornell University)|Jul 21, 2020

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates参考文献 37被引用 11

一句话总结

该论文提出了一种新型方法，在亚秒时间内制备量子简并气体：800毫秒内完成8×10⁴个¹⁶⁸Er原子的玻色-爱因斯坦凝聚（BEC），凝聚分数达85%；4秒内完成¹⁶⁷Er的简并费米气体。通过结合窄线激光冷却、可调谐光镊（ODT）以及优化的蒸发冷却，该方法在大原子数系统中实现了前所未有的循环速度，使高重复率的量子模拟成为可能。

ABSTRACT

Realizing faster experimental cycle times is important for the future of quantum simulation. The cycle time determines how often the many-body wave-function can be sampled, defining the rate at which information is extracted from the quantum simulation. We demonstrate a system which can produce a Bose-Einstein condensate of $8 imes 10^4$ $^{168} ext{Er}$ atoms with approximately 85% condensate fraction in 800 ms and a degenerate Fermi gas of $^{167} ext{Er}$ in 4 seconds, which are unprecedented times compared to many existing quantum gas experiments. This is accomplished by several novel cooling techniques and a tunable dipole trap. The methods used here for accelerating the production of quantum degenerate gases should be applicable to a variety of atomic species and are promising for expanding the capabilities of quantum simulation.

研究动机与目标

• 大幅缩短超冷量子气体实验的循环时间，以实现多体波函数的高重复率采样。
• 克服传统量子气体装置中蒸发冷却速度慢的瓶颈，该类装置通常每个循环需10至60秒。
• 开发一种可扩展的方法，适用于多种铒同位素，包括玻色子和费米子种类，用于量子模拟。
• 在最短时间内实现高凝聚分数和大原子数，超越现有全光学和混合冷却技术。
• 为未来实验提供支持，如探测 Hubbard 模型和装载大型里德伯光镊阵列，减少漂移并提高数据采集速率。

提出的方法

• 在583 nm波长、线宽为2π×190 kHz的5束窄线磁光阱（MOT）中实现初始捕获与¹⁶⁸Er原子的极化。
• 使用401 nm的Zeeman慢化器和2D慢光冷却系统，实现高效冷却，随后将原子转移至红失谐的841 nm MOT（线宽为2π×8 kHz）。
• 将原子从841 nm MOT转移至可调谐的1064 nm光镊（ODT），其光束腰可变，从而实现对阱几何形状和深度的动态控制。
• 应用差分交流斯塔克频移补偿技术，即使在强度梯度存在的情况下，也能维持ODT中冷却效率。
• 在ODT中通过时间可变的阱深进行蒸发冷却，以去除高能原子，实现800毫秒内形成BEC，4秒内形成简并费米气体。
• 使用可调谐透镜系统调节水平ODT的光束腰，从而针对不同同位素优化阱深与散射截面。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在铒中实现亚秒级循环时间，以制备大尺寸、高保真度的玻色-爱因斯坦凝聚？
• RQ2 如何在保持高凝聚分数并最小化原子损失的前提下，加速光镊中蒸发冷却过程？
• RQ3 该冷却与捕获方案是否可扩展至费米子同位素（如¹⁶⁷Er），以在类似时间内制备简并费米气体？
• RQ4 在强差分交流斯塔克频移条件下，窄线激光冷却技术在ODT中能否有效冷却原子？
• RQ5 通过适当调节蒸发斜坡和阱参数，该方法能否推广至所有铒同位素（包括丰度最低的¹⁶²Er）？

主要发现

• 在800毫秒内成功制备了8×10⁴个¹⁶⁸Er原子的玻色-爱因斯坦凝聚，凝聚分数达85%，相比典型实验提速10至100倍。
• 经过270毫秒的蒸发后，凝聚分数达到92%，表明在循环时间内已形成近乎纯的BEC。
• 在4秒内制备了1.5×10⁵个¹⁶⁷Er原子的简并费米气体，T/T_F ≈ 0.25，显著快于此前对偶极费米气体的制备方法。
• 通过缩短MOT捕获时间和蒸发时间，该方法可在700毫秒内实现2×10⁴个原子的纯BEC。
• 系统实现了向ODT中大原子数的高效转移，并在延长循环时间下展示了制备高达10⁶个原子BEC的可扩展性。
• 通过适当调节蒸发斜坡和阱参数，该方法可推广至所有铒同位素，包括¹⁶²Er。