Formation of ultracold $^{39}$K$^{133}$Cs Feshbach molecules

技術要約：極低温$^{39}\text{K}^{133}\text{Cs}$フェッシュバッハ分子の生成

問題提起
極低温のヘテロ核分子は、その永久電気双極子モーメントにより、量子シミュレーションおよび量子コンピューティングのための重要なリソースとなっている。フェッシュバッハ共鳴は様々なアルカリ金属対から弱結合分子の生成を成功させてきたが、カリウム・セシウム（KCs）系は例外であり続けてきた。理論的な共鳴の予測や原子損失ピークの観測はあるものの、これまでの実験では、トラップされたKCs分子の実際の生成には至らなかった。主な課題は、磁気結合（マグネトアソシエーション）に必要な高い位相空間密度を得るために、$^{39}\text{K}$と$^{133}\text{Cs}$を同時に冷却することの困難さにあった。特に、$^{39}\text{K}$の不利な衝突特性（具体的にはラムザウアー・タウンゼント極小）や、混合アルカリガスにおける複雑な損失メカニズムが障壁となっている。

手法
著者らは、極低温の$^{39}\text{K}$と$^{133}\text{Cs}$の混合物を作成するための新しい冷却戦略を開発し、続いてフェッシュバッハ分子の生成と特性評価のための多段階プロセスを開発した。

1. 共鳴冷却シーケンス： 従来の逐次冷却法とは異なり、著者らはプロセス中の早い段階で種を混合した。彼らは二種磁気光学トラップ（MOT）を利用し、続いて圧縮およびグレー・モラセスの冷却を行った。混合物は磁気トラップに転送され、その後光学双極子トラップ（ODT）にロードされた。

   • 共鳴冷却メカニズム： $^{39}\text{K}$の直接的な蒸発冷却は、背景散乱長（$-35 a_0$）によるラムザウアー・タウンゼント極小によって阻害されるため、著者らは$^{39}\text{K}$を用いて$^{133}\text{Cs}$を共鳴冷却（シンパセティック・クーリング）した。トラップ深さの比（$U_{\text{Cs}}/U_{\text{K}} \approx 1.94$）によってCsの直接的な蒸発を抑制し、種間散乱長（$60\text{--}80 a_0$）によって効率的な熱平衡化を確保した。
   • 損失管理： チームは、三体再結合や光誘起によるCsの脱偏極を含む特定の損失チャネルを特性評価し、軽減した。彼らは、トラップ光の散乱（具体的には1064 nmにおけるCsの大きなベクトル分極性に起因するラマン散乱）が一体系の損失を引き起こすことを特定し、トラップ深さの慎重な最適化が必要であることを示した。
   • スピン転送： 冷却のための最適な衝突チャネルに到達するために、著者らは、RF結合に伴う高損失な中間状態を回避しながら、第二の直交偏光ODTビームによって駆動されるラマン遷移を用いて、$(3, -3)_{\text{Cs}}$から$(3, 3)_{\text{Cs}}$へのスピン転送を行った。
   • 最終蒸発： 蒸発冷却は557 Gで行われた。これは、両方の種が効率的に冷却されつつ、混和性を維持できる磁場窓である。これにより、$8.7(3) \times 10^5$個のK原子と$1.9(1) \times 10^5$個のCs原子を含む混合物が得られた。

2. 分子生成： 弱結合分子は、$(1, 1)_{\text{K}} + (3, 3)_{\text{Cs}}$チャネルにあるフェッシュバッハ共鳴における磁気結合を介して作成された。プロセスは以下の通りである：

   • K原子を$(1, 1)$状態へ転送する。
   • 共鳴を断熱的に横切る（3 G/s）。
   • 磁場勾配を適用して分子を浮遊させ、未結合の原子を放出させる。
   • 残留するCs原子を除去するためにODTを降下させ、サンプルを精製する。

3. 分光法およびポテンシャルフィッティング：

   • フェッシュバッハ分光法： 著者らは4つの異なる閾値にわたって新しい種間共鳴をスキャンし、いくつかの新しい損失ピークを観察した。
   • 束縛状態の特性評価： 彼らは、二光子分光法および磁気浮揚測定を用いて、361.7 Gの共鳴に関連する状態の結合エネルギーと磁気モーメントを測定した。
   • ポテンシャルの再フィッティング： 結合チャネル計算を用い、著者らは新しい実験データ（共鳴位置、結合エネルギー、シングレット分率）を使用して、K-Cs相互作用ポテンシャルを精緻化した。短距離の標準的な外挿を指数関数形式に置き換えることで、物理的な挙動を保証し、シングレットおよびトリプレット散乱長を独立して決定することを可能にした。

主な結果

• 分子生成： 本実験は、$7.6(10) \times 10^3$個のボゾン性$^{39}\text{K}^{133}\text{Cs}$フェッシュバッハ分子のトラップされたサンプルを生成することに成功した。
• サンプルの質： 分子ガスの温度は$0.69(5) \, \mu\text{K}$であり、位相空間密度は$2.8(8) \times 10^{-4}$であった。
• 寿命： 精製された分子サンプルは、約130 msの寿命を示し、これは二体系の非弾性崩壊（$\Gamma_2 = 5.6(12) \times 10^{-10} \, \text{cm}^3\text{s}^{-1}$）によって制限されている。この寿命は、基底状態への後続のSTIRAP転送のために磁場を安定させるのに十分である。
• 新しい共鳴： 本研究では、315.55 G、463.25 G、466.23 G、299.56 G、478.03 G、および464.58 Gにおける、4つの異なる閾値を持つ新しい種間共鳴を特定した。
• 改善されたポテンシャル： 再フィッティングされた相互作用ポテンシャルは、シングレット散絡長 $a_s = -29.2(8) \, a_0$ およびトリプレット散乱長 $a_t = 77.7(2) \, a_0$ を与えた。これらの値は、より広い範囲のシングレット分率を含む共鳴と精密な結合エネルギー測定を含んでいるため、以前の推定値とは異なる。

意義および主張
本論文は、トラップされた極低温$^{39}\text{K}^{133}\text{Cs}$フェッシュバッハ分子サンプルの最初の生成を報告している。著者らは、この成果が、誘導放出ラマン増幅（STIRAP）による極低温基底状態分子の生成のための必要な初期条件を確立するものであると述べている。

本研究は、$^{39}\text{K}$特有の衝突制限を克服する堅牢な共鳴冷却戦略を示すことにより、K-Cs混合物の冷却における長年の困難を解決した。さらに、新しい分光データと結合チャネル計算を組み合わせることで、大幅に改善されたK-Cs相互作用ポテンシャルを提供した。これらのポテンシャルは、衝突物理学の詳細な理解を提供し、以前のデータセットでは不可能であったシングレットおよびトリプレット散乱長の独立した決定を可能にする。著者らは、これらのポテンシャルが基底状態サンプルの作成のための「優れた出発点」として機能し、他の同位体組み合わせの特性を予測するためにも使用できると述べている。