Introduction
I de siste to tiår er en rekke kjøleteknikker blitt utviklet for å generere Bose-Einsteins kondensater (BEC) og degenerert Fermi gasser (DFG) fra varme damper atom 1, 2, 3, 4, 5. BEC og DFG er nye faser av materie som eksisterer i ekstremt lave temperaturer, vanligvis en milliondel av en grad over det absolutte nullpunkt temperatur, langt under de som vanligvis finnes på jorden eller på plass. For å oppnå slike lave temperaturer, de fleste kjølemetoder er basert på å redusere den fangpotensial for fordampning avkjøles atomene. Imidlertid senke ordningen også reduserer kollisjonsfrekvensen av atomene, som begrenser kjøleeffektiviteten når gassen når kvante-regimet 6. I denne artikkelen presenterer vi en "utvise" metoden til fordampning kjøle en ultracold Fermi gass i et ODT utensenke felle dybde. Denne metoden er basert på våre nylig studie av parametrisk kjøle 7, som viser flere fordeler i forhold til senkeordninger 7, 8, 9.
Nøkkelen Ideen til den parametriske ordningen er å anvende den anharmonicity av den kryssede-bjelke ODT, noe som gjør de varmere atomene nær kanten av overlappings potensialet føle de lavere fangst frekvenser enn de kaldere atomer i midten. Dette anharmonicity muliggjør varmere atomene til selektivt å kunne støtes ut fra fellen ved å modulere fangpotensial ved frekvenser avstemte med høyenergi-atomer.
Forsøksprotokollen for parametrisk kjøling krever en på forhånd avkjølt noninteracting Fermi gass nær den degenererte temperatur. For å implementere denne protokollen, er en akusto-optisk modulator (AOM) utnyttes for å modulere intensiteten av fangst bjelkene ved controlling modulasjonsfrekvensen, dybde og tid. For å kontrollere kjølevirkningen, er atom skyen probet ved absorpsjon avbildning av time-of-flight (TOF), hvor en resonans-laserstrålen belyser atom sky og absorpsjonen skygge oppfanges av en ladningskoblet anordning (CCD) kamera. Skyen egenskaper, slik som atomtallet, energi og temperatur, er bestemt av kolonne tetthet på. For å karakterisere den kjølende effekt, måler vi avhengighet av skyen energi på de forskjellige moduleringstider.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
MERK: Denne protokoll krever en hjemme-bygget ultracold atom apparat som omfatter følgende utstyr: to ytre hulrom diodelasere (ECDL), en låse oppsett for Datakortet forskjøvne frekvensen låsing 10, en fiberlaser for ODT, en AOM for laserintensitetsmodule , en radiofrekvens (RF) antennesystem med en kilde generator og en effektforsterker, en absorpsjon avbildningssystem med et CCD-kamera, et datamaskinprogram for timing-sekvens og datafangst (DAQ), et datamaskinprogram for avbildning og dataanalyse, et par av elektromagneter for MOT og bias magnetiske felt, og en ultrahøy vakuumkammer inkludert en 6 Li damp ovn og en Zeeman langsommere (vist i figur 1).
Forsiktig: Tre lasere av ulike krefter og bølgelengder blir brukt. Ta kontakt med de aktuelle laser sikkerhetsdatablad og velge de riktige laser vernebriller.
1. Timing Control
NOTE: Alle tidsstyringssekvenser styres av et 128 kanals PCI DAQ-kortet gjennom en tidskontrollprogram. Oppløsningen av tidsstyringssekvensen er 100 us. Flere instrumentering kontrollprogrammer benyttet for å styre innstillingen av de instrumenter, slik som fiberlaser vilkårlig funksjonsgenerator (AFG), ODT AFG, vilkårlig pulsgenerator (APG), parametrisk modulasjon AFG, MOT multiplekser, rf-generator, etc.
- Åpne timing kontrollprogram og kontrollprogrammer for instrumentene.
MERK: tidsstyringsprogrammet sender TTL (Transistor-Transistor logikk) signaler til styreklemmene for driften av tidsstyrefilene. Enkelte instrumenter er koblet til datamaskinen ved GPIB (IEEE 488) for sanntids kontroll. - Skriv eksperimentet timing filen og sette tidsparametrene som oppført i tabell 1.
MERK: etter MOT tidssekvens er også vist i figur 2. 2. CCD kamera Forberedelse - Slå på CCD-kamera driver og dets kontrollprogram. Sett CCD kamera for å Particle image velocimetry modus 11 (PIV). Sett CCD eksponeringstiden til 5 ms.
MERK: PIV modusen reduserer tidsavstanden mellom signalet og referanserammen, noe som øker signal-til-støy-forholdet for absorpsjon avbildning. - Bruke en ekstern trigger for å styre CCD eksponering
MERK: CCD trigger tid er oppført i tabell 1. - MOT Laser Forberedelse
MERK: optisk oppsett og relevante resultatene av DLCM metode er beskrevet i referanse 10.- Slå på 6 Li atomdampen celle varmeapparat og varme den opp til 340 ° C.
- Varm opp laseren låse AOM i 1 time.
- Slå på laserfrekvensen lås kontroller og åpne programvaren. Slå på laseren rist og nåværende modulering av ECDL i programvaren.
MERK: modulasjonsfrekvensen og amplitude av gitteret modulasjon innstilt til 5 Hz og 1,0 V henholdsvis. Modulasjons-frekvens og amplitude av den aktuelle modulasjon er satt til 100 kHz og 0,0015 V pp henholdsvis for å redusere laserlinjebredden 10. - Slå på ECDL utslipp.
MERK: laserlys som passerer gjennom MOT optisk oppsett og når forsøket vakuumkammeret. - Litt justere strømmen av den Datakortet laseren manuelt å avstemme laserfrekvensen til lock-in feilsignal av 6 Li D-2 linje observeres, slik som vist i figur 3b.
- Sett låsepunktet i styreprogramvaren til 2 2 S 1/2 (F = 3/2) → 2 2 P 3/2 overgang (se figurene 3a, 3b). Deretter låser laserfrekvensen til denne overgang, og justere låsepunktet til midten av overgangen 10.
Merk: Når laserfrekvensen er låst, viser låsen i feilsignalet en liten svingning i låsen punkt som tilsvarer frekvensen svingning rundt låsen punktet.
- Imaging Laser Forberedelse
MERK: optisk oppsett og relevante resultater for offsetsignalet låse metoden er presentert i referanse 10.- Slå på offsetlåse RF-signalgenerator.
- Slå på modulering av gitteret, og øke modulasjonen amplituden til 2 V.
- Gjenta frekvens tuning prosessen i 3.1.4.-3.1.5. for å få laserfrekvensen bankende feilsignal i oscilloskopet og rf-spektrum analysator.
- Lås laserfrekvensen til det bankende signal fra den forskjøvne låse gjennom to PID-moduler.
Merk: Når laserfrekvensen er låst, vil spekteret av det bankende signal i RF-spekteret stoppe ved låsepunktet.
- Slå på et APGog avbildnings bjelke AOM.
- Sett avbildningspulsvarigheten til 10 mikrosekunder, og satt inn på separasjonstiden mellom de to avbildnings rammer til 5,5 ms.
- Sett avbildningsstråleintensiteten til 0,3 jeg satt, der jeg satt = 2,54 mW / cm2 er den mettede absorpsjonen intensiteten av 6 Li D2 linje.
- Slow Atom Source
- Slå på ovnen varmeovner.
- Etter at ovnens temperatur når operasjonsområde (se tabell 2), slå på kjølevifter for Zeeman langsommere. Deretter langsomt øke strømmen av den langsommere til 9,2 A. Slå på strømmen av de to spoler til crossover 7 A og 1 A hhv.
MERK:Temperaturfordelingen i ovnen er oppført i tabell 2 er optimalisert for kollimering og levetiden av atomkilden 12. Plasseringen av varmeelementene på ovnen er vist i figur 4. - Avblokkere Zeeman langsommere laserstrålen manuelt ved å åpne lukkeren atom. Sett frekvensen til laserstrålen til 192 MHz rød-trimmet med 2 2 S 1/2 (F = 3/2) → 2 2 P 3/2 overgang.
MERK: Med dette oppsettet, er hastigheten av atomene bremset ned fra 1400 m / s til 100 m / s. Zeeman langsommere er vist i figur 5.
- Magnetic Field Gradient
MERK: Dette apparat benytter et par spoler som styres av en H-bro bryterkretsen for å frembringe enten en anti-Helmholtz eller Helmholtz magnetfelt. Spolene er vannavkjølt for å forhindre overoppheting.- Sakte skru på vannmengden til 6 l / min.
- Still H-bro for anti-Helmholtz magnetfeltutforming ved å kjøre tidsstyreprogram med MOT laste timing fil.
- Slå på magnetenes strømforsyninger, og sette strømmen i hver spole til omtrent 18 A via dens styreprogram, som skaper et magnetisk felt gradient på omtrent 22 g / cm for MOT.
MERK: En statisk MOT er observert i forsøket kammeret etter at den magnetiske feltgradient er slått på.
- dynamisk MOT
MERK: optisk oppsett av 6 Li MOT inneholder tre par med seg motsatt utbredende MOT bjelker med alle par ortogonale til hverandre. Hver MOT armen videre omfatter en kjøle bjelke og en repumping bjelke. Intensitetene og frekvens detunings av bjelkene, som styres av AOMs, varieres for de tre fasene. Styrespenningene for de AOMs blir innstilt via multiplekserkretsene befalt av et tidsreguleringssystem. Parametrene for tre faser er angitt i tabell 3. Den optiske layut av MOT bjelkene er vist på figur 6.- Load, kompilere og kjøre eksperimentet timing filen i tidsstyringsprogrammet på en løkke med programvaren kontroll. Eksperimentet timing starter med MOT lastefasen. Overvåke MOT fluorescenssignal i fotodetektoren for å komme opp i 2 V, hvilket indikerer rundt 10 9 atomer i MOT.
MERK: fluorescensen av MOT samles av en linse med romlig vinkel på omkring 10 -4 rad. Lasting fase atomtallet kan beregnes ved hjelp av metoden i referanse 13. - Bruke den optiske lukker for å blokkere bremse strålen før lasting fase avsluttes.
MERK: Tidspunktet for å bremse strålelukker er også under styring av forsøket timing, som er angitt i tabell 1. - Set intensiteter og frekvens detunings av MOT laserstråler i henhold til tabell 3 for avkjølingsfasen.
MERK: Etter avkjølingsfasen, temperaturen iMOT er redusert til ca 300 μK. - For pumpefasen, program forsøket tids filen for å slå av repumping bjelker med AOM.
MERK: pumping fase pumper alle atomene til det laveste hyperfin tilstander 2 2 S 1/2 (F = 1/2). - Slå av MOT bjelkene og forskyver laseren frekvens 30 MHz under den atom overgangen resonans ved AOM, og blokkere den lekkende lys fra de optiske AOMs med skodder.
MERK: Etter MOT-fasen, vil en eventuell lekkasje av resonans lys til atom skyen resultere i tap atom. Tidspunktet for AOM kontroll og MOT-strålelukker er alle angitt i tabell 1. - Etter dynamisk MOT, erverve avbildnings rammer fra kameraet. Få absorpsjon avbildning av MOT.
MERK: Atomnummeret til MOT er omtrent 10 7 etter pumpefasen. En typisk absorpsjon bilde av MOT er vist i figur 7a.
- Load, kompilere og kjøre eksperimentet timing filen i tidsstyringsprogrammet på en løkke med programvaren kontroll. Eksperimentet timing starter med MOT lastefasen. Overvåke MOT fluorescenssignal i fotodetektoren for å komme opp i 2 V, hvilket indikerer rundt 10 9 atomer i MOT.
- Optisk Dipol Trap
MERK: ODT er det viktigste verktøyet for å generere ultracold Fermi gasser. For å generere en dyp ODT, en fiber laser med 100 W emisjon effekt ved 1064 nm bølgelengde anvendes. Oppsettet av ODT er vist i figur 8.- Slå på vannstrøm for kjøling av laserstrålen dumper.
- Sett ODT AOM styrespenning til en V manuelt. Slå på fiberlaseren med 13 W utslippsstrøm.
- Sjekk ODT optikk med et infrarødt lys viewer, og fjerne støv med argon gass flyt.
MERK: Støv på optikken kan endre den romlige profil av ODT, og føre til ustabilitet i ODT. - Kommandere fiberlaseren AFG for å frembringe en laserpuls via AFG styreprogrammet.
MERK: Utgangen fra laserpuls utløses av eksperimentet timing, og starttiden for denne puls er innstilt på 14 ms før slutten av den MOT lastefasen. Pulse sekvensstyring er vist i figur 1, og timingen er oppført i tabell 1. - innstilles manuelt ODT AOM styrespenning til 8 V (80% av den mettede RF-effekten).
NB: Den maksimale RF effekt av AOM føreren bør være begrenset til 80% av den mettede kraft for å redusere den termiske linseeffekten. - Erverve absorpsjons- bilder av MOT og ODT fra kameraet.
MERK: Kontroller overlapping av MOT og ODT gjennom deres absorpsjon bildebehandling. Figur 7b viser typiske absorbsjonsbånd bilder av MOT og ODT, henholdsvis.
- Bias Magnetic Field og Spin Mixing RF-felt
NB: For å generere et samvirkende Fermi-gass, blir en forspenning magnetisk felt i vertikal retning anvendes for å justere s-bølge spredningslengde.- Still H-broen i forsøket tidsprogram, slik at de magnetiske feltkonfigurasjonen endres fra anti-Helmholtz til Helmholtz.
MERK: HelmHoltz spoler generere bias magnetiske feltet for å justere interatomic interaksjon. - Sett bias magnetiske feltet til 330 G i kanal 2 og 527,3 G i kanal 3 av magneter styreprogram.
- Programmere eksperiment tidsstyringssekvensen til å feie det magnetiske felt fra 0 G til 330 G etter at MOT er slått av.
NB: Det magnetiske felt sveip forbereder et svakt vekselvirkende 6 Li Fermi gass for standard fordampningskjøling. - Programmering av et magnetisk felt sveip fra 330 g til 527 g for en noninteracting Fermi-gass 14.
NB: Det magnetiske felt sekvens fra 6.2.1-6.2.4. er vist i figur 1, og timingen er oppført i tabell 1. - Påfør en støyende rf-puls for å skape en 50:50 blanding av de to laveste hyperfin tilstander 2 2 S 1/2 (F = 1/2, m F = ± 1/2) av 6 Li.
- Tune i låst laser frekvens i resonans med den atomene i527,3 g (tilsvarende overgangs 2 2 S 1/2 (F = 1/2, m F = -1/2) → 2 2 P 3/2 ved lav magnetisk felt) ved å endre utgangsfrekvensen til RF-signalet generator.
MERK: Resonansfrekvensen maksimerer atomtallet av absorpsjon avbildning, som brukes til å styre frekvensjustering. Bare de ring ned atomer avbildes for å presentere den atomære skyen fordi 50:50 spinnblandinger anvendes for forsøket.
- Still H-broen i forsøket tidsprogram, slik at de magnetiske feltkonfigurasjonen endres fra anti-Helmholtz til Helmholtz.
- Fordamping kjøling av Trap Senking
MERK: En standard fordampningskjøling blir brukt til å avkjøle de fermioniske atomene i 6 Li nær den degenererte regime. Det første trinn ved fordampende avkjøling blir styrt av pulsen på fiberlaseren og den andre styres av ODT AOM. Den nær-degenererte Fermi-gassen vil bli brukt som prøve for parametrisk kjøling.- Starter den første fasen av fordamping kjøling viddh styreprogramvaren ved å pulse fiberlasereffekten, noe som øker felle dybden av ODT til U-0, og deretter tilbake til 0,1 U 0 (U 0 er den fulle dybde felle med lasereffekt på 100 W). Den totale tiden for dette trinn er 0,5 s.
MERK: pulsvarighet som tilsvarer U 0 bør begrenses til 0,5 s for å unngå den termiske linseeffekten. - Program ODT AOM med en eksponensiell kurve, som vist i figur 1. Etter den første fasen av fordampningskjøling er ferdig, vent i 30 ms, og deretter starter den andre fasen av fordampende avkjøling ved å senke felle dybde fra 0,1 U 0 til 0,01 U 0 gjennom ODT AOM. Den totale tiden for dette trinn er 1,5 s.
- Erverve absorpsjon avbildning av de kalde atomer etter den fordampende avkjøling.
NOTE: Omtrent 10 5 atomer er igjen i ODT etter fordampningskjøling, som kan beregnes fra denabsorpsjon bilde.
- Starter den første fasen av fordamping kjøling viddh styreprogramvaren ved å pulse fiberlasereffekten, noe som øker felle dybden av ODT til U-0, og deretter tilbake til 0,1 U 0 (U 0 er den fulle dybde felle med lasereffekt på 100 W). Den totale tiden for dette trinn er 0,5 s.
- Trap Dybde Modulation
- Vent 100 ms etter at den magnetiske sveipe til 527,3 G. modulere felle dybde med ODT AOM av U (t m) = 0,01 U 0 (1 + δ cos (ω m t m)), hvor δ er modulasjonsdybden og ω m er modulasjonsfrekvensen. Sett modulasjonstid t m i parametrisk module AFG kontrollprogram. Den tidssekvens av modulasjonen er vist i figur 1.
MERK: Dette er viktig skritt for å implementere para kjøling. - Programmere APG å frigi atomer fra den ODT ved brått å slå av fangst bjelker. La gassen ballistically ekspandere til 300 mikrosekunder før påføring absorpsjon avbildning.
NB: Den ballistiske utvidelse brukes sammen med TOF absorpsjon avbildning for å få den temperature av de kalde atomer. - Erverve absorpsjon bildet av den kalde atomene etter parametrisk kjøling.
- Vent 100 ms etter at den magnetiske sveipe til 527,3 G. modulere felle dybde med ODT AOM av U (t m) = 0,01 U 0 (1 + δ cos (ω m t m)), hvor δ er modulasjonsdybden og ω m er modulasjonsfrekvensen. Sett modulasjonstid t m i parametrisk module AFG kontrollprogram. Den tidssekvens av modulasjonen er vist i figur 1.
- Tid Avhengighet måling
MERK: I vårt tidligere arbeid 7, har vi funnet optimalisert frekvensen for den parametriske avkjøling for å være 1,45 ω x, hvor ω x er den radiale overlappingsfrekvensen til ODT ved 0,01 U 0. Ved hjelp av denne frekvens, kan vi selektivt fjerne høyenergetiske atomer langs sin aksiale retning.- Sett modulasjonsdybden til S = 0,5 via den parametriske modulasjonen AFG styreprogram.
- Bruk ekstern trigger styrefunksjonen av den parametriske modulasjon AFG å endre modulasjonstid fra 0 til 600 ms ved å variere de modulesyklusnummer.
MERK: Med den økende modulasjon tid, vil størrelsen på den atomære skyen reduseres, særlig den aksiale retning. De relevante resultater er vist i figur 9. Erverve avbildnings rammer fra kameraet. Lagre og analysere bildene gjennom CCD kontrollprogram.
MERK: CCD-kamera blir brukt til å registrere absorpsjonen avbildning av de kalde atomer, som er den viktigste diagnostiske verktøy for kald atomer.
3. 671 nm laser Preparat
MERK: En 671 nm enkelt frekvens Datakortet med 500 mW utgangseffekt blir brukt til å generere den MOT kjøling og overlapping bjelker. En annen 671 nm Datakortet på 35 mW brukes for absorpsjon avbildning. Et digitalt laserstrømmen modulasjonsmetoden (DLCM)anvendes for laserfrekvensen stabilisering 10. De beslektede 6 Li energinivåer er vist i figur 3a. Romtemperatur stabilitet på 20 ± 1 ° C er nødvendig for optimal stabilitet av laserfrekvensen låsing.
4. Absorpsjon Imaging Preparat
MERK: atomene er probet med absorpsjon avbildning, noe som trenger to bilderammer. Den første med atomene er den signalramme, og den andre uten atomer er referanserammen.
5. Kjøle Atomer med MOT
MERK: MOT er en mye brukt kjølemetode i ultracold atomer eksperimenter. Denne delen genererer et MOT på rundt en milliard 6 Li atomene ved omtrent 300 μK.
7. Parametrisk Kjøling
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Ved hjelp av denne protokollen studeres avhengighet av parametrisk kjøling ved modulering tid med den optimaliserte moduleringsfrekvens og amplitude, som begge er blitt fastslått i våre tidligere publikasjon 7. Vi først tilberede en noninteracting Fermi gass av 6 Li-atomer i de to nederste hyperfin tilstander med en temperatur på T / T F ≈ 1.2. Her, T = F (6N) 1/3 Ħ ω / k B = 5,2 μK bestemmes med atomtall N = 1,7 x 10 5 per spinn, og det geometriske gjennomsnittet overlappingsfrekvens ω = (ω x ω y ω z) 1 / 3 = 2π x (2,250 x 2,450 x 220) 1/3 Hz, H er redusert Plancks konstant, k og B er Boltzmanns konstant. Tiden-avhengige resultater er vist i figur 9 med modulasjonsfrekvens på 1.45ω x, og modulasjonsdybde på 0,5. De TOF absorpsjon bilder av atom skyer (figur 9A) viser en betydelig minskning av den aksiale sky størrelse med økende for modulerings tid, noe som indikerer den absolutte temperatur blir kontinuerlig redusert med parametrisk avkjøling.
For kvantitativt å beskrive den kjølende effekt, bruker vi E (x, z) / E F som en effektiv termometri for ultracold Fermi gasser 7, hvor E F er den Fermienergien og E (x, z) er atom sky energiene i den radielle og aksial retning henholdsvis. Vi først trekke antallet uavhengige midlere kvadratstørrelse (NIMS) fra atom skyen. Deretter fra NIMS, beregner vi E (x, z) / E F i figur 9b. Etter ca 500 ms modulasjon, blir E Z / E-F betydelig redusert 1,80 til 0,90 og E x / E F økes litt, noe 1,20 til 1,25. Den avtagende atomtall i figur 9b innfelt indikere atomer er utvist ut av fellen. Vi finner at parametrisk kjøling endrer atom skyen energi i en anisotropisk måte, i hvilken energien i den aksiale retning er under Fermi-energi mens den radiale man fremdeles er over Fermi energi. Det skal bemerkes at de første ulike krefter i aksial og radial retning (figur 9b) blir generert ved den raske felle senking anvendt i avsnitt 6.3. Etter at parametrisk avkjøling blir den aksielle retning energi reduseres betydelig mens den radiale energi er knapt endret. Dette resultatet indikerer den måten at parametrisk kjøling endrer skyen energi er anisotropisk. Dette anisotropisk effekt skyldes det faktum atdominant anharmonicity av den kryssede-bjelke ODT er langs den aksiale retningen 7. Slike termodynamisk anisotrope prøver kan brukes til å studere termalise prosesser i et samvirkende mange-legeme quantum system.
Figur 1: ultrahøy vakuumsystem. Vakuumkammeret av den ultracold atom apparatet ved IUPUI. 1. ovn, 2. Zeeman langsommere, 3. magnetspolene, 4. eksperiment kammeret og 5. CCD-kamera. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 2: Timing sekvens for den parametriske kjøling. Den svarte kurven er den fiberlasereffekten timing. Den røde kurven er en of ODT AOM timing. Cyan kurven representerer magnetfeltet. Den oransje kurven er de TOF avbildnings pulser. Den horisontale aksen viser den tidsskalaen for hvert trinn. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 3: Atomic nivåer av 6 Li og laserfrekvensen låse spektra. a) 6 Li D-2-overgang for at kjøle- og repumping bjelker av MOT. b) Den gule kurven er den Doppler-frie mettet absorbsjonsspektra 6 Li D 2 linje, og den røde kurven er den tilhørende lock-in feilsignal. Den venstre topp er den 2 2 S 1/2 (F = 3/2) → 2 2 P 3/2 overgang, er den rette de to2 S 1/2 (F = 1/2) → 2 2 P 3/2 overgang, og den mellomste er delefilter signal av de to overganger. Dashbordet korset er låsepunktet. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 4: 6 Li ovnen. Hver merkede del inneholder en temperaturstyrt varmespiral for ovnen for å sende ut den nødvendige atom fluksen. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figu re 5: Zeeman langsommere. Den krysspolen er den siste delen av Zeeman langsommere. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 6: MOT optisk strålegang. Den optiske oppsett for generering av MOT og bremse laserstråler. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 7: MOT og ODT absorpsjon bilder. a) MOT bilde etter pumping fase. b) Et bilde av det overlappende MOT og ODT._upload / 55409 / 55409fig7large.jpg" target = '_ blank'> Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 8: Krysset-Beam ODT optisk layout. Krysningsvinkelen av den ODT er 2θ = 12 °. Fiberlaseren AFG styrer pulsingen av laseren, styrer ODT AFG fellen senking kurve, og parametriske modulasjon AFG styrer laserintensitetsmodulering. Strålen midje av begge bjelker er ca. 37 um. Polariseringen av den første strålen er vertikal og polariseringen av den andre bjelke er horisontal. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 9: Tidavhengighet måling av parametrisk kjøling. a) Absorpsjons-bilder av atom skyer av forskjellige moduleringstider. b) Avhengigheten av E (x, z) / E F på modulasjonstid (blå linje er for E Z / E-F og de røde rutene er for E x / E F). Den innfelte tallet er atomtallet versus tid modulasjon. Feilstolpene representerer ett standardavvik. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
| MOT lasting på | Startpunkt |
| MOT lasting tid | 10 s |
| MOT avkjøling på | MOT lasting av |
| MOT avkjølingstid | 5 ms |
| MOT pumping på | MOT nedkjølingsperiode |
| MOT pumpetid | 100 ms |
| MOT AOM off | MOT av (Samme som MOT pumping av) |
| Zeeman langsommere strålelukker videre | 200 ms før lasting av MOT |
| MOT bjelke skodde på | MOT off |
| Fiber laser fordamping kjøling starttid | 14 ms før slutten av MOT lasting |
| ODT fordamping kjøling starttid | 500 ms etter MOT off |
| H-broen bryter tids | MOT off |
| Magnetisk felt sveipestarttiden (fra 0 til 330 g) | MOT off |
| Magnetfelt feie starttid (fra 330 til 527.3G) | 2,000 ms etter MOT off |
| Parametrisk kjøling starttid | 2,500 ms etter MOT off |
| Imaging puls trigger tids | 3,200 ms etter MOT off |
| CCD trigger tid | 100 mikrosekunder før det billeddannende puls trigger tids |
Tabell 1: Forsøkstidsstyring. Timing sekvensparametre for å styre eksperimentelle instrumenter. Tidsstyringssekvensen starter ved MOT lasting, avkjøling og pumping. MOT off er tidspunktet for etter MOT pumping.
| kanal 1 | kanal 2 | kanal 3 | Channel 4 | Channel 5 |
| 348 ° C | 354 ° C | 434 ° C | 399 ° C | 372 ° C |
Tabell 2: Oven temperaturprofil. De 6 Li ovnen opererer ved optimal flux med de oppførte temperaturer.
| Fase | Laster | kjøling | pumping | |||
| Stråle | kjøling | Repumping | kjøling | Repumping | kjøling | Repumping |
| Detuning fra låst overgang (MHz) | -28 | -28 | -5 | -5 | -2 | AV |
| Intensitet (jeg satt) | 2 | 1 | 0.1 | 0.05 | 0,08 | AV |
Tabell 3: MOT faser egenskaper. MOT fasesekvensen er innrettet for å maksimere the antallet atomer som skal overføres inn i ODT.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Vi presenterer en forsøksprotokoll for parametrisk kjøling av en noninteracting Fermi-gass i en krysset-bjelke optisk felle. De kritiske trinn av denne protokollen omfatter: For det første må den optisk-fanget Fermi gass som skal avkjøles i nærheten av den degenererte temperaturen ved å senke felle dybde. For det andre er en moduleringsfrekvens velges som er i resonans med den anharmonic komponent av overlapping potensial. For det tredje, er intensiteten av den innfangende strålen moduleres for å kjøle atom sky og måle avhengighet av skyen energi på modulering tid.
Sammenlignet med den trap-senkende skjema, gir den parametriske avkjølingsplanen en selektiv måte for å fjerne høy-energi-atomer fra den optiske felle uten å senke felle dybde. Det bidrar til å øke fase tetthet og kjøle en noninteracting Fermi gass. Fordi slike parametre avkjøling vanligvis er anisotropisk, er det også gir en praktisk metode for å modifisere temperaturen anisotropi i kvantumgasses.
For å muliggjøre parametrisk, krever avkjøling til gjeldende protokoll et Fermi-gass nær den degenererte temperatur som startpunkt. Kjøleeffekten er også begrenset til den aksielle retning av den innfangende potensial. Disse to begrensninger som forårsakes av den endelige anharmonicity av den kryssede-bjelke ODT som er laget av Gaussiske laserstråler i den aktuelle protokoll. For å utvide denne metoden for forskjellige atomarter og anvende det for større temperaturområde, trenger vi å øke anharmonicity av overlappings potensial.
Vi foreslår to forbedringer for kjøling teknikk. For det første kan parametrisk avkjølingen gjennomføres med en fangpotensial med stor anharmonicity i alle tre retninger, slik som boks feller 15 eller kraft-loven lemmene 16, som har et potensiale for direkte å avkjøle de fangede atomene fra den termiske tilstand til den degenererte regime uten krever senking av optiske felle ialle. For det andre, ved periodisk å riste den optiske overlappings potensial gjennom en AOM 17, kan vi syntetisere de optisk felle med stor anharmonicity hjelp av Floquet metode 18.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 500 mW 671 nm ECDL | Toptica | TA Pro | Quantity: 1 |
| 35 mW 671 nm ECDL | Toptica | DL-100 | Quantity: 1 |
| 671 nm AOM | Isomet | 1206C | Quantity: 3 |
| 671 nm AOM Driver | Isomet | 630C-110 | Quantity: 3 |
| 100 W 1,064 nm CW laser | IPG photonics | YLR-100-1064-LP | Quantity: 1 |
| 1,064 nm AOM | IntraAction | ATM-804DA6B | Quantity: 1 |
| 1,064 nm AOM Driver | IntraAction | ME-805EH | Quantity: 1 |
| Arbitrary Function Generator | Agilent | 33120A | Quantity: 3 |
| Digital I/O Board | United Electronic Industries | PD2-DIO-128 | Quantity: 1 |
| System Design Platform | National Instruments | LabVIEW | Quantity: 1 |
| Analog Voltage Output Device | Measurement Computing | USB-3104 | Quantity: 1 |
| CCD Camera | Hamamatsu | Orca R2 | Quantity: 1 |
| Arbitrary Pulse Generator | Quantum Composer | 9618+ | Quantity: 1 |
| Analog Voltage Output Device | Measurement Computing | USB-3104 | Quantity: 1 |
| 20 A power supply | Quantity: 1 | ||
| 10 A power supply | Quantity: 1 | ||
| 120 A power supply | Quantity: 2 | ||
| Cooling Fans | Quantity: depends on apparatus design | ||
| 671 nm Mirrors | Quantity: depends on apparatus design | ||
| 671 nm Half-wave Plate | Quantity: depends on apparatus design | ||
| 671 nm Quarter-wave Plate | Quantity: depends on apparatus design | ||
| 500 mW Beam Shutter | Quantity: depends on apparatus design | ||
| 671 nm Lenses | Quantity: depends on apparatus design | ||
| Faraday Isolator | Quantity: 2, one for each ECDL | ||
| 671 nm Polarizing Beam Splitter | Quantity: depends on apparatus design | ||
| Photodetector | Thorlabs | SM05PD1A | Quantity: 1 |
| Multiplexer | Analog Devices | ADG409 | Quantity: 1 |
| Multiplexer | Analog Devices | ADG408 | Quantity: 2 |
| 1,064 nm plano-concave lens | Quantity: 1 for beam reducer | ||
| 1,064 nm plano-convex lens | Quantity: 1 for beam reducer | ||
| 1,064 nm Mirrors | Quantity: depends on apparatus design | ||
| 1,064 nm Half-wave Plates | Quantity: depends on apparatus design | ||
| 1,064 nm Lenses | Quantity: depends on apparatus design | ||
| 1,064 nm Thin Film Polarizer | Quantity: 1 | ||
| 100 W, 1,064 nm Beam Dump | Quantity: 1 | ||
| 100 W, 1,064 nm Power Meter | Quantity: 1 | ||
| RF Function Generator | Rigol | DG4162 | Quantity: 1 |
| RF Power Amplifier | Mini-Circuits | ZHL-100W-GAN+ | Quantity: 1 |
References
- 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 Optical Physics. Bederson, B., Walther, H., et al. 37, Academic Press 181-236 (2003).
- Truscott, A. G., Strecker, K. E., McAlexander, W. I., Partridge, G. B., Hulet, R. G. Observation of Fermi pressure in a gas of trapped atoms. Science. 291 (5513), 2570-2572 (2001).
- DeMarco, B., Jin, D. S. Onset of Fermi degeneracy in a trapped atomic gas. Science. 285 (5434), 1703-1706 (1999).
- Granade, S. R., Gehm, M. E., O'Hara, K. M., Thomas, J. E. All-optical production of a degenerate Fermi gas. Phys. Rev. Lett. 88 (12), 120405 (2002).
- Luo, L., et al. Evaporative cooling of unitary Fermi gas mixtures in optical traps. New J. Phys. 8 (9), 213 (2006).
- Li, J., Liu, J., Xu, W., de Melo, L., Luo, L. Parametric cooling of a degenerate Fermi gas in an optical trap. Phys. Rev. A. 93 (4), 041401 (2016).
- Poli, N., Brecha, R. J., Roati, G., Modugno, G. Cooling atoms in an optical trap by selective parametric excitation. Phys. Rev. A. 65 (2), 021401 (2002).
- Kumakura, M., Shirahata, Y., Takasu, Y., Takahashi, Y., Yabuzaki, T. Shaking-induced cooling of cold atoms in a magnetic trap. Phys. Rev. A. 68 (2), 021401 (2003).
- Li, J., et al. Sub-megahertz frequency stabilization of a diode laser by digital laser current modulation. Appl. Opt. 54 (13), 3913-3917 (2015).
- Hamamatsu Photonics Deutschland GmbH. HiPic user manual. , (2016).
- Luo, L. Entropy and superfluid critical parameters of a strongly interacting Fermi gas [Ph.D. thesis]. , Duke University. (2008).
- Ries, M. A magneto-optical trap for the preparation of a three-component Fermi gas in an optical lattice [Diploma thesis]. , University of Heidelberg. (2010).
- Bartenstein, M., et al. Precise determination of 6Li cold collision parameters by radio-frequency spectroscopy on weakly bound molecules. Phys. Rev. Lett. 94 (10), 103201 (2005).
- Gaunt, A. L., Schmidutz, T. F., Gotlibovych, I., Smith, R. P., Hadzibabic, Z. Bose-Einstein condensation of atoms in a uniform potential. Phys. Rev. Lett. 110 (20), 200406 (2013).
- Bruce, G. D., Bromley, S. L., Smirne, G., Torralbo-Campo, L., Cassettari, D. Holographic power-law traps for the efficient production of Bose-Einstein condensates. Phys. Rev. A. 84 (5), 053410 (2011).
- Roy, R., Green, A., Bowler, R., Gupta, S. Rapid cooling to quantum degeneracy in dynamically shaped atom traps. Phys. Rev. A. 93 (4), 043403 (2016).
- Bukov, M., D'Alessio, L., Polkovnikov, A. Universal high-frequency behavior of periodically driven systems: from dynamical stabilization to Floquet engineering. Adv. Phys. 64 (2), 139-226 (2015).
