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Optical Feshbach resonances in ultra-cold ytterbium M. Borkowski, A. A. Buchachenko, R. Ciuryło, P. S. Julienne, Y. Takasu, Y. Takahashi
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M. Borkowski, A. A. Buchachenko, R. Ciuryło P. S. Julienne ... · Optical Feshbach resonances in ultra-cold ytterbium M. Borkowski, A. A. Buchachenko, R. Ciuryło, P. S. Julienne,

Jan 25, 2019

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nguyenquynh
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Optical Feshbach resonances in ultra-cold ytterbium

M. Borkowski, A. A. Buchachenko, R. Ciuryło,

P. S. Julienne, Y. Takasu, Y. Takahashi

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The project „Precise Optical Control and Metrology of Quantum Systems” is supported

by the Foundation for Polish Science program TEAM cofinanced by the European

Regional Development Fund. This research is a part of the scientific program

of the National Laboratory FAMO in Toruń, Poland.

Support

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Two-color photoassociation of Yb

Kitagawa et al, Phys. Rev. A 77, 012719 (2008).

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Bound states of Yb2

(11)

(13)

(38)

(18)

(21)

(74)

(26)

(19)

(40)

(50)

(23)

(26)

Borkowski al, Phys. Rev. A 80, 012715 (2009).

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Model potential

Exp. Theo.1 Theo.2

C6 [Eh a06] 1.932(30) x103 2.07(20) x103 1.929(39) x103

C8 [Eh a08] 1.9(5) x105 2.02(20)x105

1Zhang and Dalgarno, Mol. Phys. 106, 1525 (2008).2Safronova et al, Phys. Rev. Lett. 109, 230802 (2012)

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Scattering length

Gribakin et al, Phys. Rev. A 48, 546 (1993).

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Mass scaling

Kitagawa et al, Phys. Rev. A 77, 012719 (2008).

um 7.42

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Scattering lengths

Scattering lengths [nm]

Kitagawa et al, Phys. Rev. A 77, 012719 (2008).

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Scattering resonances

,10 ,6 ,2

,12 ,8 ,4

g

g

l

aa

l

a

Gao, Phys. Rev. A 62, 050702(R) (2000); 64, 010701(R) (2001).

Kr 100

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Spectra

172Yb 176Yb

Borkowski et al, Phys. Rev. A 80, 012715 (2009).

174Yb

T=25 K

Tojo et al, Phys. Rev. Lett. 96, 153201 (2006).

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One-color photoassociation

Yb(1S0)+Yb(3P1)

Tojo et al, Phys. Rev. Lett. 96, 153201 (2006).

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Two channels model

)1)(2(1212

1

12

)1(

12

)1()1(

12

1

12

1

1

1001

0110

JJBVJ

JV

J

JVV

J

JJ

VVJ

JJJBJV

J

JV

J

J

Jl

Jl

2

2

2 rB

1)1(2)(

)12(441)(

2

1

1)1(2)(

)12(441)(

2

1

2

01

22

01

01101

2

01

22

01

01100

JJBVV

JB

VV

BVVVV

JJBVV

JB

VV

BVVVV

)12(

)12()1( )1(

)12()1(

)12( 2)1(

11

00

-

JJ

JJJBJV

JJ

JJJJBV

01for VVB

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Model potential

Wang and Dolg, Theor. Chem. Acc. 100, 124 (1998).

Shape of ab initio potential is very different

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Experiment and theory

174Yb ∆e(0u) [MHz]

Je=1 Je=3

Exp. Theor. Exp. Theor.

-4.4(1.0) -4.2 -3.0

-9.5(1.0) -9.7 -7.5

-19.7(1.0) -20.1 -16.1(2.0) -16.7

-37.4(1.0) -38.5 -32.5(2.0) -33.3

-68.6(1.0) -69.1 -61.7

-119.1(2.0) -117.8 -107.5

-191.3(1.0) -192.3 -179.0(2.0) -178.2

-302.3(1.0) -302.5 -284.5(2.0) -283.9

-461.1(1.0) -461.3 -437.4

-684.6(1.0) -684.9 -654.7(2.0) -654.6

-993.7(1.0) -993.7 -955.9

-1412.8(1.0) -1413.0 -1366.7(2.0) -1366.4

-1973.5(1.0) -1973.9 -1918.1(2.0) -1917.3

176Yb ∆e(0u) [MHz]

Je=1 Je=3

Exp. Theor. Exp. Theor.

-3.1 -2.1

-7.9(2.0) -7.5 -5.9(2.0) -5.7

-16.5(2.0) -16.0 -13.9(2.0) -13.1

-32.0(2.0) -31.2 -27.4(2.0) -26.8

-56.2(2.0) -57.0 -50.0(2.0) -50.5

-98.5 -89.4

-162.6 -150.1

-258.2(2.0) -258.3 -242.8(2.0) -241.7

-398.1(2.0) -397.1 -376.4(2.0) -375.5

-594.4(2.0) -593.8 -567.3(2.0) -566.3

-867.6(2.0) -866.7 -832.7(2.0) -832.2

-1240.1(2.0) -1238.9 -1196.2

-1738.5 -1686.5

Borkowski et al, Phys. Rev. A 80, 012715 (2009).

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Verification

C6,0u = -2.41(22) 103 Eh a06

C3,0u = -0.1949(11) Eh a03

τ(3P1)= 0.8696(45) μs

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Probing ground state

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Optical length

22opt

22optbg

21

1)(

2

1),(

21)(),(

IlIb

IlaIa

E pegee

Reduced detuning

Fedichev et al, Phys. Rev. Lett. 77, 2913 (1996).

Bohn, and Julienne, Phys. Rev. A 60, 414 (1999).

Ciuryło et al, Phys. Rev. A 71, 030701 (2005).

Blatt et al, Phys. Rev. Lett. 107, 073202 (2011).

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Optical length 174Yb, Je=1

∆e(0u)

[MHz]

lopt/I

[a0/(W cm-2)]

-4.2 1.6×105

-9.7 5.5×104

-20.1 2.0×104

-38.5 7.9×103

-69.1 3.1×103

-117.8 1.2×103

-192.3 466

-302.5 150

-461.3 33

-684.9 1

-993.7 4

-1413.0 17

-1973.9 27.5

I= 1 W

Yamazaki et al, Phys. Rev. Lett. 105, 05045 (2010).

Experiment with 174Yb

ascat=+104 a0

ascat=-594 a0

ascat=-24 a0

ascat=+250 a0

ascat=+63 a0

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Optical tuning of scatering length

Experiment with 172YbEnomoto et al, Phys. Rev. Lett. 101, 203201 (2008).

Fatemi et al, Phys. Rev. Lett. 85, 4462 (2000).

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Heteronuclear bosonic system

rotA HHH int 2

12121 egge

AAAA

eg

ge

E

E

egge

AA

AA

A

A

AAAA

21

21

2

1

2121

0

0

1

1

2

1

2

12

1

2

1

1 1

2121

2121

EEEE

EEEE

AAAA

AAAA

1

1

0

0

11

u

g

V

V

AH

intH

AH

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Heteronuclear bosonic system

222121 )1(

2

1

ugug

EEEEAAAA VVVV

ug

EEAA

VV21for

VEEAA 21

2

1

EE

EEAA

AA ugug

21

21

2)1(

22

)1(1

2

)1(12

VVVV

EEAA

ug

21for VV

EE

C

AA 21

2

3res

6

)(1 C

EEE

p

AA

I21

)1(

C3 [Eh a03]

0u -0.1949(11)

0g +0.1949

1g -0.0974

1u +0.0974

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Heteronuclear bosonic system

C3 [Eh a03]

0u -0.1949(11)

0g +0.1949

1g -0.0974

1u +0.0974

EEE

p

AA

I21

)1(

ug

u g

Borkowski et al, Phys. Rev. A 84, 030702(R) (2011).

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gerade-gerade transitions

ggug

Meath, J. Chem. Phys. 48, 227 (1968).

Machholm, Phys. Rev. A 64, 033425 (2001).

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gerade-gerade transitions

Takasu et al, Phys. Rev. Lett. 108, 173002 (2012).

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Ab initio potential

Buchanchenko et al, Eur. Phys. J. D 45, 147 (2007).

174Yb2 N=72

Experiment with kHz accuracy.

Ab initio potential leads to small reduction of

residuals on average from about 83 kHz to 64 kHz

Zhang and Dalgarno, Mol. Phys. 106, 1525 (2008).

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High precision data

Zhang and Dalgarno, Mol. Phys. 106, 1525 (2008).

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Testing models

Tang and Toennies, J. Chem. Phys. 80, 3726 (1984).

Zhang and Dalgarno, Mol. Phys. 106, 1525 (2008).

12

1

22 )(i

ii EuE

6

66

8

88 )()()(

r

Crf

r

CrfrV

2

6888

2

4666

)(

)(

rWCCrf

rWCCrf

FS

FS

rCrf

rCrf

FS

FS

8

218

6

2

16

16

)0()0(531)(

4

)0(23)(

small r

large r

long range

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Summary

• Bosonic and fermionic isotopes of Yb offer large variety of the scattering lengths.

• The simple mass scaling approach works well in case of cold collision of Yb atoms in ground and excited state.

• Results obtained for homo-nuclear systems can be extended for hetero-nuclear.

• Gerade-gerade transitions can be well described and results are consistent with dose for gerade-ungerade transitions

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Toruń