Simultaneous sub-Doppler laser cooling and optical trapping of bosonic $^{39}$K-$^{133}$Cs and $^{41}$K-$^{133}$Cs mixtures

技術要約：ボゾン的な$^{39}\text{K}$-$^{133}\text{Cs}$および$^{41}\text{K}$-$^{133}\text{Cs}$混合系の同時サブドップラーレーザー冷却および光トラップ

問題提起
異なる原子種の超低温混合系は、単一種系では到達不可能な相互作用領域や分子状態へのアクセス、特に磁気結合（マグネトアソシエーション）による極性基底状態ヘテロ核分子の生成において不可欠である。カリウム–セシウム（K-Cs）系は、ボゾンおよびフェルミオンの両方の同位体が利用可能であり、かつ強い永久電気双極子モーメントを持つため魅力的であるが、実験的な進展はほぼ排他的に$^{39}\text{K}\text{-}\text{Cs}$混合系に集中してきた。今日まで、レーザー冷却され光双極子トラップ（ODT）に捕捉された$^{41}\text{K}\text{-}\text{Cs}$混合系は実現していなかった。さらに、これらの混合系を効率的に準備するには、原子数や温度を損なうことなく、同時サブドップラー冷却および高効率なODTへの転送という課題を克服する必要がある。

手法
著者らは、原子ディスペンサーを用いて背景蒸気から直接カリウムおよびセシウム原子をロードする単一チャンバー装置を用いた実験を行った。実験シーケンスは以下の通りである：

• 冷却スキーム： カリウム同位体はD1線を用いたグレーモラセ（具体的には$\Lambda$増強グレーモラセ）を用いて冷却され、セシウム冷却にはD2線上の全シーケンスが用いられた。
• 転送の最適化： グレーモラセからODTへの転送効率の低さに対処するため、著者らは「転送最適化グレー光モラセ（TO-GMC）」段階を導入した。この段階では、前段階の冷却段階とは異なる、クロスされた1064 nm光双極子トラップへのロードに特化して、ビーム強度と持続時間を最適化した。
• スピン偏極とトラップ： 原子はスピン偏極され、ODT内に閉じ込められた。$^{39}\text{K}\text{-}\text{Cs}$混合系については、単一の相互作用サイクルの後に、3つのカリウム$F=1$スピン成分（$|a\rangle, |b\rangle, |c\rangle$）を区別するための並行スピン分解検出法を実装した。
• 分光および崩壊解析： フェッシュバッハ分光は、磁場をランプアップし、原子損失を測定することによって行われた。$^{41}\text{K}\text{-}\text{Cs}$混合系の安定性は、比較可能な温度および密度条件下での崩壊ダイナミクスを測定することにより、$^{39}\text{K}\text{-}\text{Cs}$と比較して定量的に評価された。

主要な貢献と結果

1. $^{41}\text{K}\text{-}\text{Cs}$の初実現： 著者らは、レーザー冷却され光トラップされた$^{41}\text{K}\text{-}\text{Cs}$混合系の初実現を報告している。$^{39}\text{K}\text{-}\text{Cs}$および$^{41}\text{K}\text{-}\text{Cs}$混合体の両方が$\sim 10$ µKの温度まで冷却され、単一種操作と同等の性能を達成した。
2. 高い転送効率： TO-GMC段階はロード効率を大幅に向上させた。単一種操作において、著者らはODT中に約$2.0 \times 10^6$個の$^{41}\text{K}$原子と$3.6 \times 10^6$個の$^{39}\text{K}$原子を得た。混合系では、それぞれ$N_{39\text{K}} = 3.1 \times 10^6, N_{\text{Cs}} = 3.8 \times 10^6$および$N_{41\text{K}} = 1.1 \times 10^6, N_{\text{Cs}} = 4.3 \times 10^6$個の原子を得た。
3. マルチチャネル・フェッシュバッハ分光（$^{39}\text{K}\text{-}\text{Cs}$）： スピン分解スターン＝ゲルラッハ検出法を用いることで、著者らは3つのカリウム入口チャネルに対して同時に損失スペクトルを測定した。14個のヘテロ核フェッシュバッハ損失特徴を観測した。そのうち5つは既報の共鳴と一致し、残りの9つはp波の特性や追加のスピンチャネルにおける共鳴を含む、実験的に初めて観測されたものである。
4. 崩壊ダイナミクスの比較： $^{41}\text{K}\text{-}\text{Cs}$混合系は、$^{39}\text{K}\text{-}\text{Cs}$と比較してODT内でのる著しく速い崩壊を示した。崩壊は非指数関数的であり、これは強い密度依存的な損失寄与（おそらくヘテロ核の多体プロセス）を示唆している。$^{39}\text{K}\text{-}\text{Cs}$混合系は追加の損失が弱かったのに対し、$^{41}\text{K}\text{-}\text{Cs}$混合系の急速な崩壊は、現在、その同位体における系統的なフェッシュバッハ分光を妨げている。

意義と主張
本論文は、実証された超低温$^{41}\text{K}\text{-}\text{Cs}$混合体の調製が、これまで未探索であった同位体に対するフェッシュバッハ共鳴および光結合分光の必要な出発点を提供すると主張している。本研究は、実験的にアクセス可能なK-Cs系を$^{39}\text{K}\text{-}\text{Cs}$を超えて拡張するものである。著者らは、$^{39}\text{K}\text{-}\text{Cs}$に対する追加の分光データが、相互作用ポテンシャルに対するさらなる制約を与えることも述べている。最終的に、これらの結果は、複数の同位体に対する系統的な相互作用分光および超低温基底状態KCs分子の生成への道筋を確立するものである。著者らは、$^{41}\text{K}\text{-}\text{Cs}$混合体の短い寿命が、現在、その特定の混合系に対する系統的な共鳴探索を制限していることを指摘しており、本研究ではその制限を定量化してはいるが、解決はしていない。また、冷却手法はフェルミオンである$^{40}\text{K}\text{-}\text{Cs}$混合系にも適用可能である可能性があるが、天然存在比の制限により、本研究では探索が行われなかった。