[论文解读] Trapping and imaging single dysprosium atoms in optical tweezer arrays

Damien Bloch, Britton Hofer+3 more|arXiv (Cornell University)|Jul 10, 2023

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates被引用 2

一句话总结

本论文首次实现了使用532 nm光在光镊阵列中对单个镝原子的捕获与成像，利用镧系元素各向异性的光-物质相互作用，实现了魔法偏振条件。通过调节光镊光的椭圆度，抵消了基态与激发态之间的差分光移，实现了高保真度单原子成像，保真度达99.1(2)%，温度低于1 µK。

ABSTRACT

We report the preparation and observation of single atoms of dysprosium in arrays of optical tweezers with a wavelength of 532 nm imaged on the intercombination line at 626 nm. We use the anisotropic light shift specific to lanthanides and in particular a large difference in tensor and vector polarizabilities between the ground and excited states to tune the differential light shift and produce tweezers in near-magic or magic polarization. This allows us to find a regime where single atoms can be produced and imaged. Using the tweezer array toolbox to manipulate lanthanides will open new research directions for quantum physics studies by taking advantage of their rich spectrum, large spin and magnetic dipole moment.

研究动机与目标

• 实现光学镊阵列中镝原子的高保真度单原子调控。
• 通过利用其各向异性极化率，克服镧系元素中大的差分光移挑战。
• 通过调节偏振以抵消基态与激发态之间的差分光移，在532 nm波长下实现魔法捕获。
• 在626 nm窄带间跃迁上实现超过99%的单原子成像保真度。
• 为利用Dy的大自旋和磁偶极矩开展量子模拟与传感开辟新途径。

提出的方法

• 使用二维声光偏转器在532 nm波长下生成5×5的光镊阵列，间距5 µm，光斑直径500 nm。
• 采用双色核壳层磁光阱（MOT）对162Dy原子进行冷却与捕获，随后将其转移至光镊阵列。
• 施加7 G磁场，使|g⟩ = |J=8, mJ=−8⟩与|e⟩ = |J′=9, m′J=−9⟩之间形成闭合σ⁻循环跃迁，最大限度减少非共振散射。
• 调节532 nm光镊光的椭圆度，平衡张量极化率与矢量极化率，实现532 nm波长下的魔法捕获。
• 利用红失谐脉冲辅助的碰撞效应，将原子对移除，将平均填充率降低至接近50%。
• 采用基于阈值的成像保真度协议，通过光子计数统计区分单个原子与背景信号。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在532 nm波长下，利用626 nm间跃迁，稳定捕获并成像单个镝原子于光镊阵列中？
• RQ2 通过调节光镊光的偏振，是否可能在532 nm波长下实现Dy的魔法捕获？
• RQ3 该系统中单个Dy原子的成像保真度与温度可达到何种水平？
• RQ4 被捕获与未被捕获亚稳态之间的分支比如何影响成像保真度？
• RQ5 在持续冷却条件下，光镊中的主要加热与损失机制是什么？

主要发现

• 通过优化检测阈值并考虑光子散射与损失动力学，实现了99.1(2)%的单原子成像保真度。
• 利用释放-再捕获技术测得光镊中温度为6.3(2) µK，表明实现了亚微开尔文冷却。
• 在无冷却光条件下，测得加热速率为1.7(2) µK s⁻¹，主要由约400 nm附近的宽跃迁主导。
• 提取出从基态到被捕获亚稳态的跃迁分支比为α = 0.65。
• 测得真空寿命τvac ≥ 500 s，冷却诱导损失导致在低冷却功率下总寿命为300(30) s。
• 通过调节光镊光的椭圆度，确认在532 nm波长下实现魔法捕获，基态|g⟩与激发态|e⟩之间的差分光移接近零。