による極低温リチウム分子生成の研究
電子物性工学専攻
岡村高志

本研究の背景年にレーザー冷却（ドップラー冷却）がはじめて実現されて以来、人類は（ある一部の）原子・イオンにおいてオーダーの極低温領域にまで比較的容易にアクセスできるようになった。さらに、磁気光学トラップや磁気トラッ
プ、蒸発冷却などの技術の開発はそれまで理論上の産物と考えられていたを実現し、年のノーベル賞受賞へとつながった。しかし、レーザー冷却による原子の冷却のその華々しい活躍の一方で、分子の冷却は原子ほどには進んでいない。これは分子に対してはドップラー冷却・と言った輻射圧を用いた冷却・トラップ法が適用できない事が主な原因である。
ドップラー冷却・では、それに用いる遷移が閉じていることが不可欠である。しかし、原子に比べ分子は量子化された多くの振動回転準位を持っており、一つの励起状態から多数の振動回転準位に緩和する。そのため、閉じた遷移を作ることが非常に困難であり、ドップラー冷却によって冷却することが出来ない。また、によるトラップも困難である。
しかし、現在、世界各地で分子の実現への取り組みが始まっており、分子の冷却法の確立は一層重要度を増している。そのような状況の中で、分子そのものを冷却するのではなく、冷却分子を冷却した原子から作り出そうという試みが生まれてきた。本研究もこのような考えから出発しており、今回は（以下）による極低温分子の生成という方法を採用した。
分子のの報告については未だ報告されておらず、これからの研究の進展が期待されている。

極低温原子におけるとは
以下とは、原子がレーザー場中で衝突することにより、分子の励起状態を生成する現象である。このとき、原子は励起分子生成に不足しているエネルギーを光子の吸収によって補い、束縛状態になる。作られた分子集団の温度は反跳エネルギーを無視すれば、その素となった原子集団の温度に等しい。
通常、は基底状態がであるか、もしくは基底状態に比べて励起状態の方が解離エネルギーが大きいときに用いられる。

によって生成される分子の状態
極低温原子を用いた
では、原子の速度が遅く衝突にかかる時間が長いため、原子は衝突時には準分子になっていると考えられる。このため、 による分子生成は短時間的には、基底状態分子から励起状態分子への光吸収による励起として扱われる。このため、生成する分子は、分子の選択則に従うものだけが許される。
また、 では核間距離の大きな分子が作られやすい。これは、核間距離 がのときに、による光子の吸収がもっとも効率的になるからである。このことは、基底状態原子の衝突に関する波動関数がで非常に大きな振幅を持つことに起因する。
によって生成した分子は励起状態にあり、しばらくすると自然放出を起こし、光子を放出して緩和する。このとき分子は 個の基底状態の原子に解離するか、もしくは、基底状態の分子になる。どちらも緩和する際には光子を放出するが、これらは本実験における蛍光の測定にはほとんど影響を与えない。なぜならば、いずれの場合もから逃げていくため、吸収・放出は 回限りであり、中で吸収・放出を繰り返している原子の蛍光に比べれば非常に弱くて無視できるからである。

極低温原子における粒子の熱的な運動による吸収の線幅（吸収のドップラー幅と原子衝突によるエネルギーのかさ上げ）が振動回転準位間の間隔より狭ければ、 の波長を選択することにより、特定の振動回転準位の励起分子を作ることができる。しかし、同じ電子状態中の振動準位間の間隔は通常上に行くほど狭くなるため、常温では解離極限付近の振動回転準位を分離することは難しい。
極低温原子におけるでは原子の運動エネルギーが小さいため、この熱的な幅がこの間隔よりも狭くなり、解離極限付近の振動回転準位を分離できるようになる。
また、波長をスキャンし分子の生成を検出すれば、解離極限付近の振動回転スペクトルを得ることができる。本研究では逆にこのスペクトルを分子生成の証拠としている。
によって吸収される光子の周波数。
励起状態の分子が自然に緩和して、２つの自由原子に解離する時に放出する光子の周波数。
励起状態の分子が自然に緩和して、分子の基底状態に落ちる時に放出する光子の周波数。
図

概念図

実験概要
本研究ではの磁場勾配を大きくし、直径約程度のを作った。その中のに波長をスキャンしたレーザービームを集光することにより、による極低温分子生成を実現した。分子生成の確認には振動回転スペクトルの観測を用いた。この振動回転スペクトルの観測には分子生成に由来する蛍光の減少をモニターする方法を用いた。

実験手順
本実験の手順は次のようになっている。
直径程度の原子のを作る。
その中の原子にレーザービームを集光し、周波数をスキャンする。
対応する周波数のところで、が起き、分子が生成する。
この際にの蛍光の減少をモニターし、レーザーの周波数と対応させることにより、振動回転スペクトルを作成する。
振動回転スペクトルの同定を行い分子生成を確認する。

実験装置
下図はの実験装置である。図中のそれぞれの装置について説明する。
：

をレーザー媒質とする色素レーザーを用い、そのレーザーパワーはであった。このレーザー光の周波数は振動回転スペクトルを測定するにあたってはスキャンされ、そのスキャン幅は中心波長から、スキャンスピードはである。の集光にはの凸レンズを用いており、ビームウエストでのビーム径（直径）は約である。
は振動回転スペクトルのを挙げるために程度まで小さくしている。
は相互作用領域での光子密度を上げるため凹面鏡により折り返されている。また、レーザーの波長はの反応が起きる様に波長を選び、スキャンした。スキャンの起点となる波長は、遷移のである。
：の大きさはビームウエストと同程度（約）であり、この時のにおける磁場勾配は約程度であった。また、の温度は約であり、原子数密度は約であった。（この時の真空度は約）
測定系
クトルを観測するために、フォトダイオードで： 本実験では振動回転スペの蛍光の減少をモニターし、チャートレコーダーに記録している。この信号はカットオフ周波数のローパスフィルターを通じてチャートレコーダーに記録する。また、から分けた光をの周波数マーカー用のエタロンに入れ、このときに出力される信号をフォトダイオードからの信号と同時に書き込むことによって、波長のリファレンスとしている。

図
図

図

装置図

装置図のエネルギー準位図

ニ体衝突が支配的であることの確認は基本的に二体衝突を前提としているため、二体衝突が支配的でなければならない。トラップ中の原子の衝突による減衰は次の式で表される。

第一項は二体衝突を表し、第二項はバックグランドガスとの衝突を表す。実際にトラップ中で二体衝突が支配的であることを確かめるために、原子ビームを切り、蛍光の減衰（つまり中の原子数の減衰）を測定した。もし、二体衝突が支配的でなければ、減衰は片対数グラフにおいて直線に近くなる。そのため、直線からのずれを確認し、二体衝突が支配的であることを確認した。

図

中の原子の衝突による減衰

結果
本実験ではの振動回転スペクトルが得られたことによって、によって、が生成されたと断定した。本実験で得られたスペクトルからは振動量子数からまでの 本の状態のスペクトル線と振動量子数からまでの 本の状態のスペクトル線が見られる。
下図に得られたスペクトル（結合済み）を示した。また、振動準位の束縛エネルギーを表 に示した。ただし、その値は共鳴光からの相対的な位置によって表されている。

図の振動回転スペクトル束縛エネルギー

表

スペクトル線の間隔
誤差±

同定された振動準位の相対的な束縛エネルギー

束縛エネルギーは共鳴光を基準とし、その位置からの負の離調を単位として表している。また、それぞれの束縛エネルギーの間隔と衝突エネルギーによる誤差（）を除く誤差を併せて記した。