我们提出了一种参数驱动方法，用于在交叉光束光学偶极阱中冷却超冷费米气体。该方法通过以与囚禁势的非谐波成分共振的频率周期性调制阱深，选择性地从阱中移除高能量原子。
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本文内容
摘要
摘要
我们提出了一种通过在交叉光束光学偶极阱（ODT）中参量驱动原子运动来冷却冷费米气体的方法。该方法利用了ODT的非谐性：位于阱边缘的较热原子感受到囚禁势中的非谐成分，而处于阱中心的较冷原子则主要感受到谐和成分。通过以与非谐成分共振的频率调制阱深，我们选择性地将较热的原子激发逸出阱外，同时保留较冷的原子在阱内，从而实现参量冷却。该实验方案首先使用塞曼减速器装载磁光阱（MOT）。MOT中预冷却的原子随后被转移至ODT中，并施加偏置磁场以形成相互作用的费米气体。接着，我们降低囚禁势，制备接近简并温度的冷费米气体。随后，将磁场扫描至费米气体的非相互作用区，在此区域中，通过调制光学囚禁光束的强度即可显现参量冷却效应。我们发现，参量冷却效果强烈依赖于调制频率和幅度。在优化的频率和幅度条件下，我们测量了原子云能量随调制时间的变化关系。实验观察到，原子云能量呈各向异性变化，其中轴向能量因参量驱动而显著降低。冷却效应局限于轴向方向，原因是交叉光束ODT的主导非谐性沿轴向分布。最后，我们建议将该方案推广至在各个方向均具有强非谐性的囚禁势，这为利用外部驱动冷却量子气体提供了一种有前景的方案。
引言
在过去的二十年中，已开发出多种冷却技术，用于从高温原子蒸气中产生玻色-爱因斯坦凝聚（BEC）和简并费米气体（DFG）1,2,3,4,5。BEC和DFG是存在于极低温度下的新型物态，通常仅比绝对零度高出百万分之一度，远低于地球或太空中通常存在的温度。为了达到如此低的温度，大多数冷却方法依赖于降低囚禁势阱深度，以实现原子的蒸发冷却。然而，这种降低势阱深度的方案也会减少原子之间的碰撞率，当气体进入量子简并 regime 时，会限制冷却效率6。本文中，我们介绍一种"驱逐"方法，可在不降低光镊（ODT）势阱深度的情况下，对超冷费米气体进行蒸发冷却。该方法基于我们近期关于参量冷却的研究7，相较于降低势阱深度的方案具有多项优势7,8,9。
参数化方案的关键思想是利用交叉光束....
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方案
注意：本实验方案需要一套自制的超冷原子装置，包括以下设备：两台外腔二极管激光器（ECDL）、用于ECDL偏频锁定的锁定装置10、用于光偶极阱（ODT）的光纤激光器、用于激光强度调制的声光调制器（AOM）、带有信号发生器和功率放大器的射频（rf）天线系统、配备CCD相机的吸收成像系统、用于时序控制和数据采集（DAQ）的计算机程序、用于图像处理和数据分析的计算机程序、一对用于磁光阱（MOT）和偏置磁场的电磁线圈，以及包含6Li蒸气炉和塞曼减速器的超高真空腔体（如图1所示）。
注意：使用了三种不同功率和波长的激光器。请查阅相关的激光安全数据表，并选择合适的激光防护眼镜。
1. 时间控制
注意：所有时序均由一块128通道PCI数据采集卡通过时序控制程序进行控制，时序分辨率可达100 µs。多个仪器控制程序用于调节仪器参数设置，例如光纤激光器任意波形发生器（AFG）、光镊（ODT）任意波形发生器、任意脉冲发生器（APG）、参量调制任意波形发生器、磁光阱多路复用器（MOT multiplexer）、射频发生器（rf generator） 等等.
- 打开时序控制程序以及各仪器的控制程序。
注意：时序控制程序会向控制终端发送T....
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结果
使用本方案，我们在已优化的调制频率和振幅条件下（二者均已在我们先前的出版物中确定），研究参数冷却对调制时间的依赖性7我们首先制备一个非相互作用的费米气体 6两种最低超精细态下且温度为 T/TF ≈ 1.2. 此处， TF = (6N)1/3ħω/kB = 5.2 µK 由原子数确定 N = 1.7 × 105 每次旋转的几何平均捕获频率 ω = (ωxωyωz)1/3 = 2π × (2250 × 2450 × 220)1/3 Hz ħ 是约化普朗克常数，以及 k
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讨论
我们提出了一种在交叉光束光阱中对非相互作用费米气体进行参量冷却的实验方案。该方案的关键步骤包括：首先，通过降低光阱深度，将光阱中捕获的费米气体冷却至接近简并温度；其次，选择一个与囚禁势的非谐成分共振的调制频率；第三，对囚禁光束的强度进行调制，以冷却原子云，并测量原子云能量随调制时间的变化关系。
与降低势阱深度的方法相比，参量冷却方法能够在不降低光学势阱深度的情况下选择性地移除高能原子，从而有助于提高相空间密度并冷却非相互作用的费米气体。由于这种参量冷却通常具有各向异性，它也为调控量子气体中的温度各向异性提供了一种便捷的方法。
为了实现参量冷却，本方案要求以接近简并温度的费米气体作为起始条件。此外，冷却效应仅局限于囚禁势的轴向方向。这两个限制均源于当前方案中由高斯激光束形成的交叉光束光镊所具有的有限非谐性。为了将该方法拓展至不同的原子种类，并应用于更宽的温度范围，我们需要增强囚禁势的非谐性。
我们提出对该冷却技术的两项改进。第一，可以在三个方向均具有强非谐性的囚禁势中实现参.......
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披露
作者无任何利益冲突需要披露。文中对特定产品和公司的引用仅用于说明目的，并不表示作者对此类产品或公司的认可。
致谢
感谢刘吉和徐文参与实验装置的搭建。Le Luo 是印第安纳大学时空对称性中心（IUCSS）的成员。本工作由 IUPUI 和 IUCRG 提供资助。
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材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 500 mW 671 nm 外腔二极管激光器 | Toptica | TA Pro | 数量：1 |
| 35 mW 671 nm 外腔二极管激光器 | Toptica | DL-100 | 数量：1 |
| 671 nm 声光调制器 | Isomet | 1206C | 数量：3 |
| 671 nm 声光调制器驱动器 | Isomet | 630C-110 | 数量：3 |
| 100 W 1,064 nm 连续波激光器 | IPG photonics | YLR-100-1064-LP | 数量：1 |
| 1,064 nm 声光调制器 | IntraAction | ATM-804DA6B | 数量：1 |
| 1,064 nm 声光调制器驱动器 | IntraAction | ME-805EH | 数量：1 |
| 任意波形发生器 | Agilent | 33120A | 数量：3 |
| 数字输入/输出板 | United Electronic Industries | PD2-DIO-128 | 数量：1 |
| 系统设计平台 | National Instruments | LabVIEW | 数量：1 |
| 模拟电压输出设备 | Measurement Computing | USB-3104 | 数量：1 |
| CCD 相机 | Hamamatsu | Orca R2 | 数量：1 |
| 任意脉冲发生器 | Quantum Composer | 9618+ | 数量：1 |
| 模拟电压输出设备 | Measurement Computing | USB-3104 | 数量：1 |
| 20 A 电源 | 数量：1 | ||
| 10 A 电源 | 数量：1 | ||
| 120 A 电源 | 数量：2 | ||
| 冷却风扇 | 数量：根据装置设计而定 | ||
| 671 nm 反射镜 | 数量：根据装置设计而定 | ||
| 671 nm 半波片 | 数量：根据装置设计而定 | ||
| 671 nm 四分之一波片 | 数量：根据装置设计而定 | ||
| 500 mW 光束快门 | 数量：根据装置设计而定 | ||
| 671 nm 透镜 | 数量：根据装置设计而定 | ||
| 法拉第隔离器 | 数量：2，每个外腔二极管激光器各一个 | ||
| 671 nm 偏振分束器 | 数量：根据装置设计而定 | ||
| 光电探测器 | Thorlabs | SM05PD1A | 数量：1 |
| 多路复用器 | Analog Devices | ADG409 | 数量：1 |
| 多路复用器 | Analog Devices | ADG408 | 数量：2 |
| 1,064 nm 平凹透镜 | 数量：1，用于光束缩小器 | ||
| 1,064 nm 平凸透镜 | 数量：1，用于光束缩小器 | ||
| 1,064 nm 反射镜 | 数量：根据装置设计而定 | ||
| 1,064 nm 半波片 | 数量：根据装置设计而定 | ||
| 1,064 nm 透镜 | 数量：根据装置设计而定 | ||
| 1,064 nm 薄膜偏振器 | 数量：1 | ||
| 100 W, 1,064 nm 光束吸收器 | 数量：1 | ||
| 100 W, 1,064 nm 功率计 | 数量：1 | ||
| 射频函数发生器 | Rigol | DG4162 | 数量：1 |
| 射频功率放大器 | Mini-Circuits | ZHL-100W-GAN+ | 数量：1 |
参考文献
- Petrich, W., Anderson, M. H., Ensher, J. R., Cornell, E. A. Stable, tightly confining magnetic trap for evaporative cooling of neutral atoms. Phys. Rev. Lett. 74 (17), 3352(1995).
- Ketterle, W., Druten, N. J. V. Evaporative cooling of trapped atoms. Advances in Atomic, Molecular, and O....
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重印与许可
