Double resonance of Raman transitions in a two-electron degenerate Fermi gas of ytterbium atoms

Abstract

라만 전이란, 두 개의 광자를 동시에 먹고 내보내는 과정을 통해서 물질의 상태를 바꿀 수 있는 방법으로써, 물리학 뿐만 아니라 생물학, 화학, 공학 등에서 아주 광범위하게 쓰이고 있는 기술이다. 특히 물리학에 있어서는 시스템의 양자역학적 상태를 조절하는 데 쓰이는 핵심적인 기술 중 하나이다.

라만 전이가 연결하는 두 개의 상태가 서로 다른 스핀으로 기술될 수 있으면서, 동시에 운동량을 주고받아야만 전이가 일어날 경우, 스핀과 운동량은 서로 별개의 물리량이 아니게 된다. 이와 같이 스핀과 운동량이 서로 얽혀있게 되면, 원자의 분산 관계가 일반적인 경우와 큰 차이를 보이게 된다. 이러한 현상은 스핀-궤도 결합이라고 불리우며, 원자 물리에서의 미세 구조의 기본 원리이기도 하면서 위상학적 부도체의 기본 원리이기도 하므로 많은 연구들이 진행되어 왔다. 특히 극저온 원자 기체들을 이용한 양자 시뮬레이터의 관점에서 스핀-궤도 결합은 많은 연구들이 진행되어 왔으며, 알칼리 원자의 보즈 아인슈타인 응집체에서 뿐만 아니라 알칼리 원자의 겹친 페르미 기체에서도 구현된 바 있다. 최근에 들어서는 알칼리 금속 외에도 Dy 같은 란탄족 페르미온도 스핀-궤도 결합이 구현되었으며, Yb 나 Sr 같은 알칼리 토금속류 원자들의 상대적으로 강한 스핀-궤도 결합 세기, 준안정 상태의 존재, 전자 스핀이 없는 바닥상태의 특징 등 이용하여 스핀-궤도 결합과 관련된 연구가 활발히 진행되고 있다.

본 연구에서는 첫째로 위와 같은 스핀-궤도 결합 연구를 하기 위한 Yb 원자의 양자 기체 생성 장치 개발의 자세한 과정과 그 일련의 원리을 다룬다. 제작한 양자 기체 생성 장치는 보즈 아인슈타인 응집체를 생성에 성공하였으며, 10^5 개 정도의 원자들을 T/T_F < 0.1 정도의 온도를 갖는 173Yb 원자들의 겹친 페르미 기체를 생성하는 것에 성공하였다. 이터븀 원자의 바닥 상태의 핵 스핀들을 모두 분리하여 관측하는 광학적 슈테른-겔라흐 분리법을 논하고, 스핀 상태의 상대적인 비율을 바꿀 수 있는 광 펌핑 기술을 함께 소개한다.

본 연구의 두 번째 주제는 생성된 이터븀 겹친 페르미 기체를 이용한 라만 전이의 이중 공명 현상이다. 두 개의 라만 전이가 동시에 같은 원자들에게 공명 조건을 만족하는 이중 공명점에서는, 라만 전이의 스펙트럼이 서로를 교차하지 못하고 밀어내는 모습을 보이며, 이것은 Raman coupling에 의한 light shift를 통해 정량적 설명이 가능하다. 본 연구에서는 라만 전이의 이중 공명이 기존에 제시된 추가적인 rf 전이를 이용하지 않고도 주기적인 스핀-궤도 결합을 구현하는 역할을 함을 논한다. 또한 이 방법을 이용하여 스핀들이 섞여있는 밴드 구조를 조절하는 방법과, 원자들을 단열적으로 밴드 위에 위치시키는 방법을 함께 다룬다.

A Raman transition is a quantum mechanical phenomenon which couples two states by a two photon process without populating intermediate states. The usage of Raman transitions is very diverse for various of purposes in physics, chemistry, biology, and engineering. Especially, in quantum mechanics, Raman transition can be utilized to engineer quantum states of a system. If a Raman transition couples two different spin states of an atom with imparting non-zero momentum, the spin and momentum are intertwined in the Hamiltonian and the dispersion of the system shows intriguing aspects. This is equivalent to the famous spin-orbit coupling which can be found on atomic fine structure splitting and this is the underlying mechanism of topological insulators in condensed matter physics. So far, experimental and theoretical studies related to the topic have been investigated actively, since the first experimental realization of spin-orbit coupled Bose-Einstein condensates. Spin-orbit coupling of atomic gases has been demonstrated with alkali atoms, fermionic lanthanide atoms and recently, with alkaline-earth(-like) atoms such as ytterbium and strontium. To study the spin-orbit coupling and its various modifications, we developed a ytterbium quantum gas machine and observed degenerate Fermi gas of 173Yb atoms. We collect atoms with dark-spot Zeeman slower and magneto-optical trap. And atoms are evaporatively cooled in crossed optical dipole trap. Typical atom number of degenerate sample is 10^5 and minimum attainable temperature is T/T_F < 0.1. Detection and manipulation of nuclear spin of ytterbium ground state have been performed by optical pumping, optical Stern-Gerlach, and magnetic dipole transitions. Loading atoms on optical lattices is also demonstrated. With generated degenerate Fermi gas, we study double resonance of Raman transitions. At the double resonance point, where two Raman transitions are simultaneously resonant to atoms, Raman branches in the spectrum show avoided crossing feature which can be quantitatively accounted for the light shift induced by Raman couplings. We discuss that the result can be interpreted to periodic spin-orbit coupling physics without an aid of additional rf coupling. Possible extensions of the experiment to show band structure engineering of spinful optical lattice and adiabatic loading on it are also examined.