Introduction
In de laatste twee decennia zijn verschillende koeltechnieken ontwikkeld voor het genereren Bose-Einstein condensaten (BEC) en gedegenereerde Fermi gassen (DFG) uit hete dampen atoom 1, 2, 3, 4, 5. BEC en DFG zijn nieuwe fasen van materie die bestaan bij extreem lage temperaturen, gewoonlijk een miljoenste graad boven het absolute nulpunt temperaturen, ver beneden die normaal op aarde en in de ruimte. Om dergelijke lage temperaturen te verkrijgen, de meeste koeling werkwijzen berusten op het verlagen van de trapping potentieel om verdamping koelen van de atomen. De verlaging regeling vermindert ook de botsing snelheid van de atomen, die het koelrendement begrenst wanneer het gas de quantum regime 6 bereikt. In dit artikel geven we een "verdrijven" methode om verdamping te koelen een ultrakoude Fermi gas in een ODT zonderverlagen van de val diepte. Deze methode is gebaseerd op onze recente studie van parametrische koeling 7, die verscheidene voordelen ten opzichte van de verlaging stelsels 7, 8, 9.
De kerngedachte van de parametrische regeling is de anharmonicity van de gekruiste-bundel ODT, waardoor heter atomen nabij de rand van het vangen potentiële voel de lagere frequenties dan de vangst koude atomen in het centrum passen. Dit maakt anharmonicity de hetere atomen selectief worden verwijderd uit de val als het moduleren invangen potentiaal bij frequenties resonantie met hoge energie atomen.
Het experimentele protocol parametrische koeling vereist een voorgekoelde noninteracting Fermigas nabij de gedegenereerde temperatuur. Dit protocol implementeren, wordt een acousto-optische modulator (AOM) gebruikt om de intensiteit van de bundels door trapping controllin modulereng de modulatiefrequentie, diepte en tijd. Om het koeleffect te controleren, moet de atomaire wolk gesondeerd door absorptie beeldvorming van time-of-flight (TOF), waarbij een resonante laserbundel belicht de atomaire wolk en de absorptie schaduw wordt opgevangen door een ladingsgekoppelde inrichting (CCD) camera. De wolkeneigenschappen, zoals het atoomnummer, energie en temperatuur, bepaald door de dichtheid kolom. Om de koelende werking te karakteriseren, meten we de afhankelijkheid van de cloud energieën op de verschillende modulatie tijden.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
Opmerking: Dit protocol is een zelfgebouwde ultrakoude voorstelt inrichting met de volgende apparatuur: twee uitwendige holte diodelasers (ECDL), een vergrendelende opstelling voor ECDL offsetfrequentie vergrendeling 10, een vezellaser de ODT, een AOM voor laser intensiteitsmodulatie een radiofrequentie (rf) antennesysteem met een brongenerator en een vermogensversterker, een absorptie beeldvormingssysteem met een CCD-camera, een computerprogramma voor timing sequentie en data acquisitie (DAQ), een computerprogramma voor beeldverwerking en gegevensanalyse, een paar elektromagneten voor het MOT en afwijking magnetische velden, en een ultrahoog vacuümkamer omvattende een Li6 gasoven en een Zeeman langzamer (figuur 1).
Let op: Drie lasers van verschillende bevoegdheden en golflengten worden gebruikt. Raadpleeg de geldende veiligheidsvoorschriften laser datasheets en kies de juiste laserveiligheidsbril.
1. Timing Control
Opmerking: Alle timing sequenties worden bestuurd door een kanaal 128 PCI DAQ kaart via een tijdbepalingsdiagram besturingsprogramma. De resolutie van de tijdreeks is 100 ps. Instrumentenbesturingssysteem meerdere programma's worden gebruikt om de instellingen van de instrumenten, zoals vezellaser arbitraire functiegenerator (AFG), ODT AFG, willekeurige pulsgenerator (APG), parametrische modulatie AFG, MOT multiplexer RF generator, etc. besturen.
- Open de timing controleprogramma en de controleprogramma's voor de instrumenten.
OPMERKING: De timing besturingsprogramma stuurt TTL (transistor-transistor logica) signalen aan de stuurklemmen voor het uitvoeren van de timingbesturing bestanden. Sommige instrumenten zijn aangesloten op de computer door GPIB (IEEE 488) voor real-time controle. - Schrijf het experiment timing bestand en stel de timing parameters zoals vermeld in tabel 1.
OPMERKING: De after MOT tijdreeks wordt ook geïllustreerd in figuur 2. 2. CCD-camera Voorbereiding - Schakel de CCD-camera driver en de controle-programma. Stel de CCD camera beeld Particle Velocimetry (PIV) stand 11. Stel de belichting CCD tijd 5 ms.
OPMERKING: PIV modus reduceert de tijd tussen het signaal en referentieframe, waarbij de signaal-ruisverhouding van de absorptie beeldvorming verhoogt. - Gebruik een externe trigger de belichting CCD besturen
LET OP: De CCD-trigger-tijd wordt weergegeven in tabel 1. - MOT Laser Voorbereiding
OPMERKING: De optische opstelling en relevante resultaten van de DLCM methode wordt gepresenteerd in Reference 10.- Schakel de 6Li atomaire dampcel verwarming en verwarm tot 340 ° C.
- Warm de laser vergrendeling AOM 1 uur.
- Zet de laser frequentie lock controller en de bijbehorende software te openen. Zet de laser rooster en de huidige modulatie van de ECDL in de software.
OPMERKING: De modulatiefrequentie en amplitude van het rooster modulatie respectievelijk ingesteld op 5 Hz en 1,0 V. De modulatiefrequentie en amplitude van de huidige modulatie ingesteld op 100 kHz en 0,0015 Vtt respectievelijk de laser lijnbreedte verminderen 10. - Schakel de ECDL-uitstoot.
Opmerking: Het laserlicht passeert het MOT optische opstelling en het experiment vacuümkamer bereikt. - Iets de stroom van de laser ECDL handmatig het afstemmen van de laserfrequentie tot de vergrendeling in foutsignaal van de 6Li D2 lijn waargenomen, zoals getoond in figuur 3b.
- Stel het slot punt in de besturingssoftware op de 2 2S 1/2 (F = 3/2) → 2 2P 3/2 transitie (zie figuren 3a, 3b). Vergrendel vervolgens de laserfrequentie om deze overgang en pas het slot naar het midden van de overgang 10.
Opmerking: Als de laserfrequentie is vergrendeld, wordt de lock-in foutsignaal een kleine fluctuatie bij de sluis punt dat overeenkomt met de frequentie schommelen rond een lockpoint.
- Imaging Laser Voorbereiding
OPMERKING: De optische opstelling en relevante resultaten van de offset vergrendelende wijze worden gepresenteerd in referentievoorbeeld 10.- Schakel de offset vergrendeling RF signaalgenerator.
- Schakel de modulatie van het rooster, en verhoging van de modulatie-amplitude 2 V.
- Herhaal de frequentie stemproces in 3.1.4.-3.1.5. aan de laser frequentie kloppende fout signaal in de oscilloscoop en de RF-spectrum analyzer te krijgen.
- Sluit de laser frequentie het slaan signaal van de offset vergrendeling via twee PID modules.
Opmerking: Als de laserfrequentie is vergrendeld, wordt het spectrum van het kloppende signaal in de RF-spectrum stoppen op het vergrendelpunt.
- Zet op een APGen de afbeeldende bundel AOM.
- Stel de duur beeldvormingspulssequentie tot 10 us, en stel de scheiding tussen de twee beeldvormende frames tot 5,5 ms.
- Stel de afbeeldende bundelintensiteit tot ongeveer 0,3 I zat, waar ik zat = 2,54 mW / cm2 is de verzadigde absorptie-intensiteit van de 6Li D2 lijn.
- Slow Atom Bron
- Zet de oven kachels.
- Nadat de oventemperaturen bereikt de arbeidsgebied (zie tabel 2), zet de koelventilatoren de Zeeman langzamer. Vervolgens langzaam de stroom van de langzamere 9,2 A. Schakel de stroom van de twee crossover spoelen 7a en 1 A resp.
NOTITIE:De temperatuurverdeling van de in tabel 2 genoemde oven is geoptimaliseerd voor collimatie en levensduur van de atomaire bron 12. De locatie van de verwarmers de oven is weergegeven in figuur 4. - handmatig deblokkeren de Zeeman langzamer laserbundel door het openen van de atomaire sluiter. De frequentie van de laserbundel 192 MHz rood-ontstemd met 2 2S 1/2 (F = 3/2) → 2 2P 3/2 overgang.
OPMERKING: Met deze opstelling, de snelheid van de atomen wordt vertraagd van 1400 m / s tot 100 m / s. De Zeeman langzamer is getoond in figuur 5.
- Magneetveldgradiënt
Opmerking: Dit apparaat maakt gebruik van een paar spoelen geregeld door een H-brug schakelschakeling hetzij een anti-Helmholtz Helmholtz of magnetisch veld. De spoelen zijn watergekoeld om oververhitting te voorkomen.- Draai langzaam de waterstroom tot 6 gal / min.
- Stel de H-brug voor anti-Helmholtz magneetveld configuratie werkt door de timing besturingsprogramma met het MOT laden timing bestand.
- Schakel de magneten voedingen, en zet de stroom van elke spoel tot ongeveer 18 A via het besturingsprogramma, dat een magnetische veldgradiënt van ongeveer 22 g / cm voor het MOT creëert.
OPMERKING: Een statische MOT waargenomen in het experiment kamer na de magnetische veldgradiënt ingeschakeld.
- Dynamic MOT
OPMERKING: De optische opstelling van de 6Li MOT bevat drie paren van tegengesteld voortplantende MOT balken met alle paren loodrecht op elkaar staan. MOT elke bundel bevat een koelende bundel en een repumping bundel. De intensiteit en frequentie detunings van de bundels, die gecontroleerd worden door AOM's, worden gevarieerd voor de drie fasen. De stuurspanningen van AOMs worden via multiplexerschakelingen bevel van een timing besturing. De parameters voor de drie fasen zijn weergegeven in Tabel 3. De optische layuit het MOT bundels wordt getoond in figuur 6.- Load, compileren en uitvoeren van het experiment timing bestand in de timing besturingsprogramma op een lus met de software controle. Het experiment begint met de timing MOT oplaadfase. Bewaak het MOT fluorescentiesignaal in de fotodetector 2 V, die ongeveer 10 9 atomen in het MOT aangeeft bereikt.
OPMERKING: De fluorescentie van het MOT wordt verzameld door een lens met een ruimtehoek van ongeveer 10 -4 rad. De laadfase atoomnummer kan worden volgens de methode in referentie 13. - Met de optische sluiter voor het vertragen bundel blokkeren voordat de laadfase eindigt.
OPMERKING: De timing van de vertragende bundel sluiter eveneens onder besturing van het experiment timing, die in tabel 1 vermeld. - Set intensiteit en frequentie detunings van het MOT laserstralen volgens tabel 3 voor de koelfase.
OPMERKING: Na de afkoelfase, de temperatuur van deMOT wordt teruggebracht tot ongeveer 300 μK. - Voor de pompfase Programmeer het experiment timing bestand van de repumping bundels beurt met de AOM.
OPMERKING: De pompen pompen fase alle atomen in de laagste hyperfine toestanden 2 2S 1/2 (F = 1/2). - Zet het MOT balken en verschuiven de laser frequentie 30 MHz beneden de atomaire overgang resonantie door AOM en blokkeren de lekkende licht van de AOMs optische sluiters.
OPMERKING: Na het MOT stadium zal lekken van het resonante licht om de atomaire cloud leiden tot verlies voorstelt. De timing van de AOM controle en MOT bundel shutter alle in tabel 1. - Na de dynamische MOT, het verwerven van de imaging kaders van de camera. Klik hier voor de absorptie beeldvorming van het MOT.
OPMERKING: Het atoomnummer van het MOT is ongeveer 10 7 na de pompfase. Een typische absorptie beeld van het MOT is getoond in figuur 7a.
- Load, compileren en uitvoeren van het experiment timing bestand in de timing besturingsprogramma op een lus met de software controle. Het experiment begint met de timing MOT oplaadfase. Bewaak het MOT fluorescentiesignaal in de fotodetector 2 V, die ongeveer 10 9 atomen in het MOT aangeeft bereikt.
- Optische dipool Trap
OPMERKING: ODT is het belangrijkste instrument voor ultrakoude Fermi gassen genereren. Om een diepe ODT, een vezellaser met 100 W zendvermogen bij 1064 nm genereren wordt gebruikt. De opzet van ODT is getoond in figuur 8.- Zet de waterstroom voor het koelen van de laserbundel stortplaatsen.
- Stel de ODT AOM stuurspanning 1 V handmatig. Schakel de vezellaser met 13 W zendvermogen.
- Controleer de ODT optiek met een infrarood licht viewer en verwijder stof met argon gasstroming.
OPMERKING: Stof op de optiek kan de ruimtelijke profiel van de ODT veranderen en instabiliteit van de ODT veroorzaken. - Gebied de vezellaser AFG een laserpuls via AFG besturingsprogramma genereren.
Opmerking: Het uitgangssignaal van de laserpuls wordt geactiveerd door het experiment timing en de starttijd van deze puls is ingesteld op 14 ms vóór het einde van het MOT belastingsfase. de pulse volgordebesturing is getoond in figuur 1, en de timing wordt in tabel 1. - Handmatig de ODT AOM stuurspanning 8 V (80% van de verzadigde rf vermogen).
Opmerking: De maximale rf-vermogen van de AOM bestuurder moet niet meer dan 80% van de verzadigde stroom naar de thermische lenseffect verminderen. - Het verwerven van de absorptie beelden van de APK en ODT van de camera.
OPMERKING: Controleer de overlap van de APK en ODT door hun absorptie beeldvorming. Figuur 7b toont typische absorptie afbeeldingen van het MOT en ODT resp.
- Bias magnetisch veld en Spin Mengen RF-veld
Opmerking: Om een wisselwerking Fermigas genereren, wordt een voorspanning magnetisch veld in de verticale richting uitgeoefend op de van de s-golf verstrooiingslengte.- Stel de H-brug in het experiment tijdprogramma zodat het magneetveld configuratie verandert van anti-Helmholtz Helmholtz.
OPMERKING: De Helmholtz spoelen wekken de voormagnetisatieveld voor het stemmen interatomaire interactie. - Het vooringestelde magnetische veld 330 G in kanaal 2 en 527,3 G in het kanaal 3 van de magneten besturingsprogramma.
- Programmeert het experiment timing sequentie van het magnetische veld sweep van 0 tot 330 G G na het MOT is uitgeschakeld.
Opmerking: Dit magneetveld sweep bereidt een zwak interactie Li6 Fermigas voor standaard verdampingskoeling. - Programmeert een magnetisch veld bereik van 330 tot 527 G G een noninteracting Fermigas 14.
Opmerking: Het magnetische veld sequentie uit 6.2.1-6.2.4. is getoond in figuur 1, en de timing wordt in tabel 1. - Breng een lawaaierige hoogfrequent puls een 50:50 mengsel van de twee laagste hyperfijnniveaus toestanden 2 2S 1/2 (F = 1/2, m F = ± 1/2) van 6 Li creëren.
- Stem de vergrendelde laser resonantiekring met de atomen aan527,3 G (overeenkomend met de overgang 2 2S 1/2 (F = 1/2, m F = -1/2) → 2 2P 02/03 bij lage magneetveld) door verandering van de uitgangsfrequentie van het rf-signaal generator.
OPMERKING: De resonantiefrequentie maximaliseert het atoomnummer van de absorptie beeldvorming, die wordt gebruikt om de frequentie aanpassing geleiden. Alleen de spin-down atomen afgebeeld om de atomaire cloud bestaat er door de rotatie 50:50 mengsels worden gebruikt voor het experiment.
- Stel de H-brug in het experiment tijdprogramma zodat het magneetveld configuratie verandert van anti-Helmholtz Helmholtz.
- Verdampingskoeling door Trap Verlagen
OPMERKING: Een standaard verdampingskoeling wordt gebruikt om de fermionische atomen Li6 koelen bij de gedegenereerde regime. De eerste fase van verdampingskoeling wordt bestuurd door de puls van de vezellaser en de tweede wordt bestuurd door de ODT AOM. De bijna-gedegenereerde Fermi gas wordt gebruikt als het monster voor parametrische koelen.- Start de eerste fase van verdampingskoeling with de besturingssoftware van het pulseren van de vezel laservermogen, waarbij de diepte van de val ODT tot U0 toeneemt, dan terug naar 0,1 U 0 (U 0 is de volledige luikdiepte het laservermogen van 100 W). De totale duur van deze fase is 0,5 s.
OPMERKING: De pulsduur die overeenkomt met U0 te beperken tot 0,5 en de thermische lenseffect voorkomen. - Programmeer de ODT AOM met een exponentiële curve zoals weergegeven in figuur 1. Na de eerste fase van verdampingskoeling is voltooid, wacht 30 ms, en start de tweede fase van verdampingskoeling door verlaging van de luikdiepte 0,1 U 0-0,01 U0 door de ODT AOM. De totale duur van deze fase is 1,5 s.
- Het verwerven van de absorptie beeldvorming van de koude atomen na de verdampingskoeling.
OPMERKING: Ongeveer 10 5 atomen worden achtergelaten in de ODT na verdampingskoeling, die kan worden berekend uit debeeld absorptie.
- Start de eerste fase van verdampingskoeling with de besturingssoftware van het pulseren van de vezel laservermogen, waarbij de diepte van de val ODT tot U0 toeneemt, dan terug naar 0,1 U 0 (U 0 is de volledige luikdiepte het laservermogen van 100 W). De totale duur van deze fase is 0,5 s.
- Trap dieptemodulatie
- Wacht 100 ms na de magnetische sweep 527,3 G. moduleren luikdiepte de ODT AOM door U (tm) = 0,01 E 0 (1 + cos δ (ω m tm)), waarbij δ is de modulatiediepte en ω m is de modulatiefrequentie. Stel de modulatie tijdstip tm de parametrische modulatie AFG besturingsprogramma. De tijdvolgorde van de modulatie is weergegeven in figuur 1.
NB: Dit is de belangrijkste stap van het implementeren van parametrische koeling. - Programmeer de APG om de atomen van de ODT vrij te maken door abrupt uitschakelen van de trapping balken. Zodat het gas ballistisch expanderen 300 microseconden voordat absorptie beeldvorming.
OPMERKING: De ballistische expansie wordt gebruikt met TOF absorptie beeldvorming om de tempe krijgenratuur van de koude atomen. - Het verwerven van de absorptie beeld van de koude atomen parametrische na koeling.
- Wacht 100 ms na de magnetische sweep 527,3 G. moduleren luikdiepte de ODT AOM door U (tm) = 0,01 E 0 (1 + cos δ (ω m tm)), waarbij δ is de modulatiediepte en ω m is de modulatiefrequentie. Stel de modulatie tijdstip tm de parametrische modulatie AFG besturingsprogramma. De tijdvolgorde van de modulatie is weergegeven in figuur 1.
- Time Afhankelijkheid Meting
Opmerking: In ons voorgaande werk 7, vonden we de optimale frequentie van de parametrische koeling te ω 1,45 x, waarbij ω x de radiale vangen frequentie van ODT 0.01 U 0. Met deze frequentie, kunnen we selectief verwijderen van hoogenergetische atomen in de axiale richting.- Stel de modulatiediepte te ó = 0,5 via parametrische modulatie AFG besturingsprogramma.
- Met de externe trigger bedieningsfunctie van de parametrische AFG modulatie met de modulatie tijd van 0 tot 600 ms veranderen door variëren van de modulatiecyclus nummers.
OPMERKING: Met de toenemende modulatie tijd, zal de omvang van de atomaire wolk verminderd, vooral de axiale richting. De relevante resultaten zijn weergegeven in Figuur 9. Verwerven van de imaging kaders van de camera. Opslaan en de beelden te analyseren door middel van de CCD besturingsprogramma.
OPMERKING: CCD-camera wordt gebruikt voor de absorptie beeldvorming van de koude atomen, die de belangrijkste diagnoseapparaat koude atomen opnemen.
3. 671 nm Laser Voorbereiding
Opmerking: Een 671 nm enkele frequentie ECDL 500 mW uitgangsvermogen wordt gebruikt om het MOT koelen vangen opwekken. Andere 671 nm ECDL van 35 mW wordt gebruikt voor absorptie beeldvorming. Een digitale laserstroom modulatiemethode (DLCM)wordt toegepast voor laser frequentiestabilisatie 10. De gerelateerde 6Li energieniveaus worden getoond in figuur 3a. Stabiliteit bij kamertemperatuur van 20 ± 1 ° C is vereist voor optimale stabiliteit van laserfrequentie vergrendeling.
4. Absorptie Imaging Voorbereiding
OPMERKING: De atomen zijn getest met absorptie beeldvorming, waarbij twee beeldrasters nodig. De eerste met de atomen van het signaalframe, en de tweede zonder atomen het referentieframe.
5. Het koelen Atomen met MOT
OPMERKING: MOT is een veel gebruikte koelmethode in ultrakoude atomen experimenten. Deze sectie genereert MOT van ongeveer een miljard Li6 atomen aan ongeveer 300 μK.
7. Parametric koelen
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Met dit protocol bestuderen we de afhankelijkheid van de parametrische koeling op het bijsturen tijd met de geoptimaliseerde modulatiefrequentie en amplitude, beide zijn in onze eerdere publicatie 7 vastgesteld. We bereiden eerst een noninteracting Fermigas van Li 6 atomen in de twee laagste hyperfijnniveaus toestanden met een temperatuur van T / D V ≈ 1.2. Hier TF = (6N) 1/3 ħ ω / k B = 5,2 μK wordt bepaald atoomnummer N = 1,7 x 10 5 per spin en de geometrische gemiddelde trapping frequentie ω = (ω ω x y z ω) 1 / 3 = 2π x (2250 x 2450 x 220) 03/01 Hz, h de constante van Planck verminderd en-KB is de constante van Boltzmann. De tijd-afhankelijke resultaten worden getoond in figuur 9 met modulatiefrequentie 1.45ω x en modulatiediepte van 0,5. De TOF absorptie beelden van de atoomwolken (figuur 9a) een significante verlaging van de axiale wolkomvang de toenemende modulatie van de tijd, waarin de absolute temperatuur voortdurend verlaagd parametrische koelen.
Voor het kwantitatief het koeleffect beschrijving gebruiken we E (x, z) / E F als effectief temperatuurmeting voor ultrakoude Fermi gassen 7, waarbij E F het Fermi-niveau en E (x, z) de atoommassa cloud energie in de radiale en axiale richtingen resp. We eerst uitpakken het aantal onafhankelijke gemiddelde vierkante formaat (NIMS) van de atomaire cloud. Vervolgens uit de NIMS, berekenen we E (x, z) / E F in figuur 9b. Na ongeveer 500 ms modulatie, wordt de E Z / E F aanzienlijk verminderd 1,80-0,90 en Ex / EF enigszins licht gestegen 1,20-1,25. De dalende atoomnummers in figuur 9b wijzen inzet atomen verdreven uit de val. We vinden dat parametrische afkoelen verandert de atomaire wolk energie op een anisotrope wijze waarop de energie in de axiale richting dan het Fermi-niveau, terwijl de radiale men nog boven het Fermi-niveau. Opgemerkt wordt dat de eerste ongelijke krachten in axiale en radiale richting (figuur 9b) wordt gevormd door de snelle val neerlaten toegepast in paragraaf 6.3. Na de parametrische koeling wordt de axiale richting energie aanzienlijk verminderd terwijl de radiale energie nauwelijks is veranderd. Dit resultaat geeft aan dat parametrische afkoelen verandert de cloud energie anisotroop. Deze anisotrope effect is te wijten aan het feit dat dedominante anharmonicity van de gekruiste-bundel ODT is langs de axiale richting 7. Dergelijke thermodynamisch anisotrope monsters kunnen worden gebruikt om de thermalisatie processen te bestuderen in een samenwerkend veeldeeltjessysteem kwantumsysteem.
Figuur 1: Ultrahigh vacuümsysteem. De vacuümkamer van de ultrakoude atomen inrichting bij IUPUI. 1. oven, 2. Zeeman langzamer, 3. magneetspoelen 4. experiment kamer en 5. CCD-camera. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 2: Timing sequentie voor het parametrische koelen. De zwarte curve is de vezel laservermogen timing. De rode kromme een of ODT AOM timing. Cyaan curve geeft het magneetveld. De oranje curve is de TOF beeldvorming pulsen. De horizontale as toont de tijdschaal van elke trap. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 3: Atomic niveaus Li6 en laserfrequentie vergrendelen spectra. a) 6 Li D2 overgang voor het koelen en repumping stralen van het MOT. b) De gele curve de Doppler-vrije verzadigde absorptiespectra van Li6 D2 lijn en de rode curve is de gerelateerde lock-in foutsignaal. Links is de piek 2 2S 1/2 (F = 3/2) → 2 2P 3/2 transitie, de rechter is de 22S 1/2 (F = 1/2) → 2 2P 3/2 transitie, en het middelste het cross signaal van beide overgangen. Het dashboard kruis is het slot punt. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 4: 6 Li oven. Elk gemerkt paragraaf worden geïsoleerde verwarmingsspiraal voor de oven voor het uitvoeren van de gewenste atomaire flux. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figu re 5: Zeeman langzamer. De crossover spoel het laatste deel van de Zeeman langzamer. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 6: MOT optische layout. De optische opstelling voor opwekking van het MOT en het vertragen laserstralen. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 7: MOT en ODT absorptie afbeeldingen. a) het MOT na pompfase. b) Het beeld van de overlappende MOT en ODT._upload / 55409 / 55409fig7large.jpg" target = '_ blank'> Klik hier om een grotere versie van deze afbeelding te bekijken.
Figuur 8: Gekruiste-Beam ODT optische layout. De kruisinghoek van de ODT is 2θ = 12 °. De vezellaser AFG controleert het pulseren van de laser, de ODT AFG controleert de val verlagen curve en parametrische modulatie AFG bestuurt de laser intensiteitsmodulatie. De bundeltaille van beide bundels is ongeveer 37 urn. De polarisatie van de eerste bundel verticaal loopt en de polarisatie van de tweede bundel horizontaal. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 9: Tijdafhankelijkheid van parametrische meting koelen. a) De absorptie beelden van de atoomwolken verschillende modulatie keren. b) De afhankelijkheid van E (x, z) / E F moduleringsvoorstel tijd (blauw cirkels E Z / E F en de rode vierkanten E x / E F). De inzet cijfer is het atoomnummer modulatie versus tijd. Foutbalken één standaarddeviatie. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
| MOT belasting op | Startpunt |
| MOT laadtijd | 10 s |
| MOT koeling op | MOT loading off |
| MOT afkoeltijd | 5 ms |
| MOT pompen op | MOT koelen |
| MOT pomptijd | 100 ps |
| MOT AOM off | MOT uit (Hetzelfde als MOT afpompen) |
| Zeeman langzamer beam sluiter op | 200 ms vóór het MOT geladen off |
| MOT beam sluiter op | MOT off |
| Fiber laser adiabatische koeling starttijd | 14 ms voor eind MOT loading |
| ODT verdampingskoeling starttijd | 500 ms na het MOT off |
| H-brug schakeltijd | MOT off |
| Magnetisch veld sweep starttijd (0-330 G) | MOT off |
| Magnetisch veld sweep starttijd (van 330 tot 527.3G) | 2000 ms na het MOT off |
| Parametric koeling starttijd | 2500 ms na het MOT off |
| Beeldvormingspulssequentie triggertijd | 3200 ms na het MOT off |
| CCD triggertijd | 100 microseconden voordat het beeldvormingspulssequentie triggertijd |
Tabel 1: Experimentele timingscontrole. Timing sequentieparameters experimentele instrumenten regelen. De tijdreeks vanaf MOT laden, koelen en pompen. Het MOT buiten het tijdstip van after MOT pompen.
| kanaal 1 | kanaal 2 | Channel 3 | Channel 4 | Channel 5 |
| 348 ° C | 354 ° C | 434 ° C | 399 ° C | 372 ° C |
Tabel 2: Oven temperatuurprofiel. De 6Li oven werkt bij een optimale flux met de genoemde temperaturen.
| Fase | het laden | Koeling | pumping | |||
| straal | Koeling | Repumping | Koeling | Repumping | Koeling | Repumping |
| Verstemming van vergrendelde overgang (MHz) | -28 | -28 | -5 | -5 | -2 | UIT |
| Intensiteit (ik zat) | 2 | 1 | 0.1 | 0.05 | 0.08 | UIT |
Tabel 3: MOT fasen eigenschappen. Het MOT fase is gemaakt om th maximaliserene aantal atomen wordt overgebracht naar de ODT.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
We geven een experimenteel protocol voor parametrische koelen van een noninteracting Fermi gas in een gekruiste-bundel optische val. De kritische stappen van deze protocollen zijn: Ten eerste, het optisch-ingevangen Fermigas moet dicht worden gekoeld om de temperatuur gedegenereerd door het verlagen van de val diepte. Ten tweede wordt een modulatiefrequentie gekozen dat resoneert met anharmonische component van de trapping potentieel. Ten derde wordt de intensiteit van de gemoduleerde bundel trapping om de atomaire cloud afkoelen en meet de afhankelijkheid van de wolk energie op de modulatie tijd.
Ten opzichte van de trap verlagen regeling de parametrische koeling regeling een selectief Hoog energetische atomen van de optische val verwijderen zonder het verlagen van de luikdiepte. Het helpt om de fase dichtheid te verhogen en te koelen een noninteracting Fermi gas. Omdat zulke parametrische koeling meestal anisotroop, maar biedt ook een handige methode om de temperatuur anisotropie quantumgas wijzigenes.
Parametrisch koeling inschakelen, het huidige protocol vereist Fermigas nabij de gedegenereerde temperatuur als uitgangspunt. Het koeleffect is eveneens beperkt tot de axiale richting van de trapping potentieel. Deze twee beperkingen veroorzaakt door de eindige anharmonicity van de gekruiste-bundel ODT die door Gaussische laserbundels in het huidige protocol. Deze methode voor verschillende atomaire species verlengen en toepassen voor groter temperatuurgebied, moeten we de anharmonicity het vangen kunnen verruimen.
Wij stellen twee verbeteringen voor deze afkoeling techniek. Ten eerste kunnen parametrische koeling worden uitgevoerd met een vangen potentiaal grote anharmonicity in alle drie richtingen, zoals box opvangers 15 of machtswet opvangers 16, die het potentieel om de gevangen atomen van de thermische toestand direct koelen in verbasterde regime zonder heeft waarbij het verlagen van de optische val opalle. Ten tweede, door periodiek de trapping potentieel optische schudden door een AOM 17, we kunnen de optische val met grote anharmonicity volgens de methode Floquet 18 synthetiseren.
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).
