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

技术摘要：超冷 $^{39}\text{K}^{133}\text{Cs}$ 费什巴赫（Feshbach）分子的形成

问题陈述
超冷异核分子由于具有永久电偶极矩，是量子模拟和量子计算的关键资源。虽然费什巴赫共振已成功实现了多种碱金属对中弱结合分子的制备，但钾-铯（KCs）系统一直是一个例外。尽管已有理论预测了共振现象并观察到了原子损失峰，但先前的实验未能实现实际捕获的 KCs 分子的形成。主要挑战在于如何同时将 $^{39}\text{K}$ 和 $^{133}\text{Cs}$ 冷却到进行磁缔合（magnetoassociation）所需的高相空间密度，特别是考虑到 $^{39}\text{K}$ 不利的碰撞特性（具体而言是其拉姆绍-汤森（Ramsauer-Townsend）极小值）以及混合碱金属气体中复杂的损失机制。

方法论
作者开发了一种新型冷却策略，用于产生超冷 $^{39}\text{K}$ 和 $^{133}\text{Cs}$ 混合物，随后通过多阶段过程创建并表征费什巴赫分子。

1. 共效冷却序列（Sympathetic Cooling Sequence）： 不同于以往的顺序冷却方法，作者在过程早期就混合了这两种组分。他们利用双组分磁光阱（MOT）以及随后的压缩和灰莫来斯（grey molasses）冷却。混合物被转移到磁阱中，然后加载到光学偶极阱（ODT）中。

   • 共效机制： 由于 $^{39}\text{K}$ 的背景散射长度（$-35 a_0$）导致了拉姆绍-汤森极小值，阻碍了直接的蒸发冷却，作者利用 $^{39}\text{K}$ 来共效冷却 $^{133}\text{Cs}$。阱深比（$U_{\text{Cs}}/U_{\text{K}} \approx 1.94$）抑制了 Cs 的直接蒸发，而种间散射长度（$60\text{--}80 a_0$）则确保了高效的热化。
   • 损失管理： 团队表征并减轻了特定的损失通道，包括三体复合和 Cs 的光诱导去极化。他们发现，陷阱光散射（特别是由于 Cs 在 1064 nm 处具有较大的矢量极化率而导致的拉曼散射）会导致一体损失，因此需要仔细优化阱深。
   • 自旋转移： 为了达到最佳的冷却碰撞通道，作者使用由第二个正交偏振 ODT 光束驱动的拉曼跃迁，将自旋从 $(3, -3)_{\text{Cs}}$ 转移到 $(3, 3)_{\text{Cs}}$，从而避开了与射频（RF）耦合相关的具有高损失特征的中间态。
   • 最终蒸发： 蒸发冷却在 557 G 处进行，在该磁场窗口下，两种组分都能高效冷却并保持混溶性。这产生了一个包含 $8.7(3) \times 10^5$ 个 K 原子和 $1.9(1) \times 10^5$ 个 Cs 原子的混合物。

2. 分子形成： 通过位于 $(1, 1)_{\text{K}} + (3, 3)_{\text{Cs}}$ 通道的 361.7 G 处的费什巴赫共振实现弱结合分子的创建。该过程包括：

   • 将 K 原子转移到 $(1, 1)$ 态。
   • 绝热穿越共振点（3 G/s）。
   • 施加磁场梯度以使分子悬浮，同时弹出未结合的原子。
   • 通过降低 ODT 深度来移除剩余的 Cs 原子，从而纯化样品。

3. 光谱学与势能拟合：

   • 费什巴赫光谱学： 作者在四个不同的阈值处扫描寻找新的种间共振，观察到了多个新的损失峰。
   • 结合态表征： 他们利用两光子光谱学和磁悬浮测量技术，测量了与 361.7 G 共振相关的结合能和磁矩。
   • 势能重拟合： 利用耦合通道计算，作者将新的实验数据（共振位置、结合能和单重态分数）进行拟合，以精炼 K-Cs 相互作用势。他们使用指数形式取代了标准的短程外推法，以确保物理行为的合理性，从而能够独立确定单重态和三重态散射长度。

关键结果

• 分子产生： 该实验成功产生了 $7.6(10) \times 10^3$ 个玻色型 $^{39}\text{K}^{133}\text{Cs}$ 费什巴赫分子。
• 样品质量： 分子气体的温度为 $0.69(5) \, \mu\text{K}$，相空间密度为 $2.8(8) \times 10^{-4}$。
• 寿命： 纯化后的分子样品表现出约 130 ms 的寿命，该寿命受限于二体非弹性衰减（$\Gamma_2 = 5.6(12) \times 10^{-10} \, \text{cm}^3\text{s}^{-1}$）。该寿命足以稳定磁场，以便后续进行向基态的 STIRAP 转移。
• 新共振： 研究在四个不同阈值处识别了多个新的种间共振，包括位于 315.55 G、463.25 G、466.23 G、299.56 G、478.03 G 和 464.58 G 的特征。
• 改进的势能： 重拟合的相互作用势得出单重态和三重态散射长度分别为 $a_s = -29.2(8) \, a_0$ 和 $a_t = 77.7(2) \, a_0$。由于纳入了具有更广泛单重态分数的共振以及精确的结合能测量，这些数值与之前的估计值有所不同，特别是对于三重态长度。

意义与主张
论文声称提供了首次创建被捕获的超冷 $^{39}\text{K}^{133}\text{Cs}$ 费什巴赫分子的成果。作者指出，这一成就为通过受激拉曼绝热传递（STIRAP）创建超冷基态分子奠定了必要的前提条件。

这项工作通过展示一种鲁棒的共效冷却策略，克服了 $^{39}\text{K}$ 特有的碰撞限制，解决了长期以来冷却 K-Cs 混合物的难题。此外，通过将新的光谱数据与耦合通道计算相结合，作者提供了显著改进的 K-Cs 相互作用势。这些势能提供了对碰撞物理学的详细理解，并允许独立确定单重态和三重态散射长度，而这在之前的数据集中是无法实现的。作者指出，这些势能为未来创建基态样品提供了“良好的起点”，并可用于预测其他同位素组合的性质。