A dipolar Bose-Bose mixture of Dysprosium isotopes with controllable interspecies interactions

技術要約：制御可能な種間相互作用を持つジスプロシウム同位体の双極子ボーズ・ボーズ混合系

問題と動機
高度に磁性を持つランタノイド原子、特にジスプロシウム（Dy）の極低温ガスは、長距離かつ異方的な双極子-双極子相互作用を調査するためのユニークなプラットフォームを提供します。単一成分の双極子ボーズ・アインシュタイン凝縮（BEC）は双極子超固体（supersolid）の観測を可能にしてきましたが、多成分系への研究の拡張は困難を伴います。これまでのランタノイドのスピン絡み合い混合系の試みは、双極子緩和による強い非弾性損失によって阻害されてきました。さらに、エキゾチックな領域、例えば多成分超固体や密度変調相の探索には、安定した混合系と調整可能な相互作用を実現することが不可避です。本研究が取り組む具体的な課題は、双極子緩和を抑制しつつ、大きな磁気双極子モーメントを保持し、かつ制御可能な種間相互作用を備えた、2つのDy同位体の安定な量子退化混合系を創出することです。

手法
実験では、$^{162}\text{Dy}$と$^{164}\text{Dy}$（ジスプロシウムで最も豊富な2つのボゾン同位体）を同時にトラップするために、デュアルアイソトープ磁気光学トラップ（DI-MOT）を利用します。421 nmのスローイング用レーザーおよび626 nmのトラッピング用レーザーに対して位相変調サイドバンドを用いることで、追加のレーザーシステムなしに、空間的に重なり合ったMOTを生成します。原子は最低絶対ゼーマン準位（$m_J = -8$）に準備され、これにより双極子緩和が自然に抑制されます。

MOTフェーズの後、原子は1064 nmのレーザービームによって形成されたクロスビーム光双極子トラップ（ODT）へと転送されます。強制蒸発冷却は、光パワーを減少させることで行われます。このシステムの重要な特徴は、トラップ波長における2つの同位体の電子分極率がほぼ同一であることであり、これにより両者がほぼ同一のトラッピングポテンシャルを経験することを保証しています。同位体間の個数不均衡は、626 nmの光を生成する電気光学変調器（EOM）のラジオ周波数駆動を調整することで制御され、これにより放射圧とODTへのロード効率が変化します。

種間相互作用を特性評価するために、チームは磁場を変数として原子損失分光法を行い、種間フェッシュバッハ共鳴を特定します。さらに、広範な共鳴付近の磁場へと磁場をランプアップすることで混合系の混和性を調べ、飛行時間後の2つの膨張する雲の中心質量分離を測定します。

主な結果

1. 量子退化混合系の実現： 著者らは、$^{162}\text{Dy}$と$^{164}\text{Dy}$の安定なボーズ・ボーズ混合系の実現に成功しました。混合系は効率的に熱平衡化し、蒸発の軌跡は単一同位体のケースと密接に一致しました。蒸発効率（$\gamma$）は、単一成分および混合系操作においてほぼ同一（$\approx 2.4-2.7$）であることが判明し、種間の効率的な熱平衡化を示しています。
2. 衝突特性と損失： 混合系は安定していますが、生成磁場9.7 Gにおいて、$^{164}\text{Dy}$は$^{162}\text{Dy}$（$\sim 14$ s）と比較して著しく短い寿命（$\sim 0.6$ s）を示しており、これは同位体特有の三体損失メカニズムを示唆しています。その結果、純粋な$^{162}\text{Dy}$凝縮体は$^{164}\text{Dy}$（$\sim 8.0 \times 10^4$）よりも高い原子数（$> 1.3 \times 10^5$）に到達できます。
3. 種間フェッシュバッハ共鳴： 本研究では複数の種間フェッシュバッハ共鳴を特定しました。最も注目すべきは、$B_0 = 10.8(3)$ Gを中心とし、約10.1 Gから11.95 Gにわたる広範な共鳴が見つかったことです。これはランタノイドの基準では比較的広い共鳴です。また、9.05(5) Gに狭い共鳴も特定されました。
4. 混和・非混和転移： 10.8 Gにある広範な共鳴に対して磁場を調整することで、研究者らは2つの同位体間の中心質量分離を観察しました。臨界磁場以下（$B < 9.7$ G）では、雲は重なり合います（混和）。磁場が共鳴に向かって増加すると、雲は分離し、より重い$^{164}\text{Dy}$が$^{162}\text{Dy}$の下方に沈み込みます。これは、Dy BEC混合系における混和・非混和転移の最初の証拠を提供します。

意義と主張
本論文は、$^{162}\text{Dy}$と$^{164}\text{Dy}$の量子退化ボーズ・ボーズ混合系の初の実現を主張しています。本研究の意義は、ジスプロシウムの大きな磁気双極子モーメント（10 $\mu_B$）と、種間フェッシュバッハ共鳴による二成分系の調整可能性を組み合わせたプラットフォームを確立したことにあります。

著者らは、このシステムが「極低温混合系における双極子効果の探索に非常に適している」と述べており、具体的には以下の調査の可能性を挙げています：

• 多成分超固体。
• 双極子超流体。
• エキゾチックな密度変調相。

本研究は、種間散乱長（$a_{12}$）を制御し、混和状態と非混和状態の間の転移を含む双極子混合系の相図を探索するための必要なツール、すなわち、広範な種間共鳴と安定した退化混合系を提供しています。著者らは、相分離の開始を観察してはいるものの、完全な相分離の実証および密度変調構造の解像は、今後の研究課題であると述べています。