Физики применили двухфотонный оптический комбинационный переход через промежуточное возбужденное состояние для ассоциации атомов натрия и цезия в молекулу в слабосвязанном состоянии. Они смоги пронаблюдать осцилляции Раби для такого перехода, а также изучить то, как этот когерентный процесс зависит от свойств оптических ловушек, в которых он происходит.

Исследование опубликовано в Physical Review X.

Ученые относительно недавно научились создавать и манипулировать ультрахолодными молекулами, однако они уже успели стать полезным инструментом для точных измерений, квантовых симуляций и обработки квантовой информации. Зачастую для этих целей нужны экзотические молекулы, которые собираются из отдельных, сильно охлажденных и запертых в ловушки атомов. Сложность при этом заключается в том, что для образования достаточно прочной молекулы, она должна быть создана в состоянии, чья энергия будет существенно ниже, изначальная суммарная энергия атомов, и ее избыток нужно куда-то деть. Кроме того, волновая функция такого состояния слабо пересекается с волновыми функциями атомов, что уменьшает шансы на соединение.

Для решения этой проблемы ученые соединяют атомы в молекулу в промежуточном состоянии, а затем пытаются перевести ее в целевое состояние с помощью вынужденного излучения. Самым распространенным способом сделать это стала магнитоассоциация с помощью резонанса Фешбаха, однако этот метод не работает для немагнитных атомов, а также для атомов без узких интеркомбинационных линий. В качестве альтернативы физики использую оптическую ассоциацию в лазерном поле. Несмотря на работоспособность этого метода, рождающиеся таким образом молекулы распадаются слишком быстро, чтобы можно было изучать в них какие-либо когерентные процессы.

Для решения этой проблемы команда физиков из Великобритании, Испании и США при участии Джереми Хатсона (Jeremy Hutson) из Даремского университета применила двухфотонных оптический комбинационный переход через промежуточное возбужденное состояние для ассоциации атомов натрия и цезия в молекулу в слабосвязанном состоянии. В результате им удалось наблюдать осцилляции Раби на этом переходе до того, как молекула распалась.

Эксперимент начинался с помещения атомов в отдельные оптические пинцеты. После этого авторы включали слабое магнитное поле, чтобы зафиксировать выделенную ось для конкретизации проекций на нее орбитальных и спиновых моментов. За счет бокового охлаждения они добивались того, чтобы атомы занимали только основное колебательное состояние внутри пинцета, а их спины выбирались сонаправленными. При слиянии пинцетов, физики переворачивали цезиевый спин, переводя таким образом систему в начальное для комбинационного перехода состояние. Параллельно они добавляли модуляцию к частоте лазера, формирующего пинцет, равную 770 мегагерцам. Такая модуляция соответствовала биениям от сложения двух лазерных мод с частотами, необходимыми для двухфотонного перехода.

Включая комбинационный переход на небольшое и регулируемое время, физики измеряли, какая доля атомов остается в диссоциированном состоянии. Зависимость этой доли от времени носит осциллирующий характер и описывает когерентные переходы всей системы между молекулярным состоянием и состоянием свободных атомов. Осцилляции, однако, быстро затухали, что исследователи связали со временем жизни молекулы.

Зависимость доли диссоциированных атомов от времени комбинационного перехода / Y. Yu et al / Physical Review X, 2021

Для проверки этой гипотезы они включали переход на время, соответствующего полному переходу атомов в молекулярное состояние, затем давали системе проэволюционировать, а затем переключали ее обратно в атомное состояние. Изучая число сохранившихся молекул для различных времен эволюции, они получили характерное время жизни, равное 0,2 миллисекундам, которое совпало с временем затухания осцилляций Раби. Физики также исследовали зависимость свойств этих осцилляций от мощности лазера, формирующего пинцет, и его отстройки, что позволило уточнить теоретическую модель комбинационного перехода.

В заключении авторы отмечают, что эффективность перехода в их эксперименте составила 69 процентов, однако она может быть улучшена в будущем подбором других состояний. Кроме того, они указали возможные способы уменьшения декогеренции, включающие борьбу с шумом в спектре лазера и с нелинейными эффектами в волноводе.