Introduction
Under de senaste två decennierna har olika kylningstekniker utvecklats för generering av Bose-Einstein-kondensat (BEC) och degenererade Fermi gaser (DFG) från heta atomångor 1, 2, 3, 4, 5. BEC och DFG är nya materialfaser som finns i extremt låga temperaturer, vanligen en miljondels grad över absoluta nolltemperaturen, långt under de som normalt finns på jorden eller i rymden. Att erhålla sådana låga temperaturer, de flesta kylnings metoder förlitar sig på att sänka infångnings potential att evaporativt kyla atomer. Emellertid den sänkschemat minskar också kollisionshastighet av atomerna, vilket begränsar kyleffekten när gasen når den kvant regimen 6. I den här artikeln presenterar vi en "utvisa" metod för att evaporativt kyla en ultrakalla Fermi gas i en ODT utansänkning fällan djupet. Denna metod är baserad på vår senaste undersökning av parametrisk kylning 7, visar flera fördelar jämfört med de sänksystem 7, 8, 9.
Den centrala idén av den parametriska systemet är att använda den anharmonicity av korsade stråle ODT, vilket gör de varmare atomer nära kanten av infångningspotentialen känna de lägre fångst frekvenser än de kallare atomer i centrum. Denna anharmonicity tillåter de varmare atomer som skall selektivt ut från fällan när modulera infångningspotentialen vid frekvenser resonans med högenergetiska atomer.
Det experimentella protokollet av parametrisk kylning kräver en i förväg kyld icke-interagerande Fermi gas i närheten av degenererade temperaturen. Att genomföra detta protokoll, är en akusto-optisk modulator (AOM) används för att modulera intensiteten av de fångsttrålarna från controlling modulationsfrekvensen, djup och tid. För att kontrollera kylningseffekten, är atom molnet sonde genom absorption avbildning av time-of-flight (TOF), där en resonanslaserstråle belyser den atomära molnet och absorptionen skugga fångas av en laddningskopplad anordning (CCD) kamera. Molnet egenskaper, såsom atomen nummer, energi, och temperatur, bestäms av kolumndensitet. För att karakterisera den kylande effekten, mäter vi beroendet av molnet energi på de olika moduleringstider.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
OBS: Detta protokoll kräver ett hem-byggt ultrakalla atom apparat innefattande följande utrustning: två externa kaviteten diodlasrar (ECDL), en låsande setup för ECDL offsetfrekvenslåsning 10, en fiberlaser för ODT, en AOM för laserintensitetsmodulering , en radiofrekvens (rf) antennsystem med en källa generator och en effektförstärkare, en absorption avbildningssystem med en CCD-kamera, ett datorprogram för att tidssekvensen och datainsamling (DAQ), ett datorprogram för bildbehandling och dataanalys, ett par elektromagneter för MOT och bias magnetfält, och en ultrahög vakuumkammare inkluderande en 6 Li ånga ugn och en Zeeman långsammare (visad i figur 1).
Varning: Tre lasrar av olika krafter och våglängder används. Kontakta relevanta laser säkerhetsdatablad och välja rätt laserskyddsglasögon.
1. Timing Control
NOTERA: Alla tidssekvenser styrs av en 128 kanal PCI DAQ kort genom en tidsstyrningsprogram. Upplösningen hos tidssekvensen är 100 | is. Flera instrumentering styrprogram används för att styra inställningarna av instrument, såsom fiberlaser godtycklig funktionsgenerator (AFG), ODT AFG, godtycklig pulsgenerator (APG), parametrisk module AFG, MOT multiplexor, rf generator etc.
- Öppna timing kontrollprogrammet och kontrollprogrammen för instrumenten.
OBS: Tidsstyrningsprogrammet skickar TTL (Transistor-transistorlogik) signaler till styranslutningarna för driften av timing styrfilerna. Vissa instrument är anslutna till datorn genom GPIB (IEEE 488) för realtidsstyrning. - Skriva experimentet timing filen och ställa in tidsparametrar som anges i tabell 1.
OBS: efter MOT tidssekvens illustreras också av fig 2. 2. CCD-kamera Framställning - Slå på CCD-kameran föraren och dess styrprogram. Ställ CCD-kameran till Particle Image Velocimetry (PIV) mod 11. Ställ in tiden CCD exponering för 5 ms.
OBS: PIV läget minskar tidsgapet mellan signalen och referensramen, vilket ökar förhållandet signal-till-brus av absorptionen avbildning. - Använd en extern trigger för att styra CCD exponeringen
OBS: CCD trigger tiden anges i tabell 1. - MOT Laser Framställning
OBS: Den optiska setup och relevanta resultaten av DLCM metod presenteras i referens 10.- Slå på 6 Li atomär ånga cellvärmare och värm upp till 340 ° C.
- Värma upp laser låsning AOM för en timme.
- Slå på laserfrekvens lås controller och öppna sin programvara. Slå på laser galler och strömmodulering av ECDL i programvaran.
OBS: moduleringsfrekvensen och amplituden hos den gittermoduler är satta till 5 Hz och 1,0 V respektive. Modulationsfrekvensen och amplituden hos den strömmodule är satta till 100 kHz och 0,0015 V pp respektive att reducera laserlinjebredd 10. - Slå på utsläpp ECDL.
OBS: Laserljuset passerar genom MOT optiska setup och når experimentet vakuumkammaren. - Något justera den aktuella av ECDL lasern manuellt för att avstämma laserfrekvensen tills låsningsfelet signalen hos 6 Li D 2 linje observeras, såsom visas i figur 3b.
- Ställa in låset punkt i styrprogramvaran till 2 2 S 1/2 (F = 3/2) → 2 2 P 3/2 övergång (se fig 3a, 3b). Låsa sedan laserfrekvensen till denna övergång, och justera låset punkten till mitten av övergången 10.
NOTERA: När laserfrekvensen är låst, visar låsningsfelet signalen en liten fluktuation vid låset punkten motsvarar frekvensen fluktuation runt låset punkten.
- Avbildning Laser Framställning
OBS: Den optiska setup och relevanta resultaten av den förskjutna låsningsmetoden presenteras i referens 10.- Slå på offset låsa RF signalgenerator.
- Slå på modulering av gittret, och öka module amplituden till 2 V.
- Upprepa frekvensavstämningsprocessen i 3.1.4.-3.1.5. för att få laserfrekvensen malnings felsignal i oscilloskopet och rf-spektrumanalysator.
- Låsa laserfrekvensen till malningssignalen av förskjutningen låsning genom två PID återkopplingsmoduler.
NOTERA: När laserfrekvensen är låst, kommer spektrumet för malnings signalen i RF-spektrum stanna vid låsningspunkten.
- Slå på en APGoch avbildningsstråle AOM.
- Ställa avbildningspulslängd till 10 | is, och ställa in tidsseparationen mellan de två avbildningsramarna till 5,5 ms.
- Ställa avbildningsstrålens intensitet till ca 0,3 jag satt, där jag satt = 2,54 mW / cm 2 är den mättade absorptionsintensiteten av 6 Li D 2 linje.
- Slow Atom Källa
- Slå på ugnens värmeelement.
- Efter de ugnstemperaturer når den operativa regionen (se Tabell 2), slå på kylfläktarna för Zeeman långsammare. Sedan långsamt öka den nuvarande av den långsammare till 9,2 A. Slå på strömmen av de två korsningspolarna till 7 A och 1 A respektive.
NOTERA:Fördelningen av ugnen som anges i tabell 2 temperaturen är optimerad för kollimation och livslängd av atomkällan 12. Placeringen av aggregat på ugnen visas i figur 4. - Avblockera Zeeman långsammare laserstråle manuellt genom att öppna atom slutare. Ställa in frekvensen hos laserstrålen till 192 MHz röd-detuned med 2 2 S 1/2 (F = 3/2) → 2 2 P 3/2 övergång.
OBS: Med denna inställning, hastigheten av atomerna bromsas upp från 1400 m / s till 100 m / s. Zeeman långsammare visas i figur 5.
- Magnetic Field Gradient
OBS: Denna anordning använder ett par spolar som styrs av en H-brygga omkopplarkrets för att producera antingen en anti-Helmholtz eller Helmholtz magnetfält. Spolarna är vattenkylda för att förhindra överhettning.- Vrid långsamt på vattenflödet till 6 gal / min.
- Ställa in H-brygga för anti-Helmholtz fältkonfigurationen magnetisk genom att köra den synkroniserande styrprogrammet med MOT loading timing fil.
- Slå på de magneter nätaggregat, och ställa in aktuellt av varje spole till omkring 18 A via dess styrprogram, vilket skapar en magnetisk fältgradient av ca 22 G / cm för MOT.
OBS: En statisk MOT observeras i experimentet kammaren efter det magnetiska fältgradienten är påslagen.
- dynamisk MOT
OBS: Den optiska inställningen av 6 Li MOT innehåller tre par räknare föröknings MOT-balkar med alla par ortogonala till varandra. Varje MOT stråle innefattar en kylningsstråle och en repumping stråle. Intensitet och frekvens detunings av balkarna, som styrs av AOMs, är varierade för de tre faserna. Styrspänningarna för de AOMs ställs in via multiplexorkretsar befäl av ett tidsstyrsystem. Parametrarna för tre faser är listade i tabell 3. Den optiska layut ur de MOT-balkar visas i figur 6.- Load, kompilera och köra experimentet tids filen i tidsstyrprogrammet på en slinga med mjukvarustyrning. Experimentet timing börjar med MOT laddningsfasen. Övervaka MOT fluorescenssignalen i fotodetektorn för att nå 2 V, vilket indikerar omkring 10 9 atomer i MOT.
OBS: Fluorescensen hos MOT uppsamlas av en lins med rymdvinkel av ca 10 -4 radianer. Laddningsfasen atom nummer kan beräknas genom förfarandet i referens 13. - Använder den optiska slutaren för att blockera den saktar strålen innan laddningsfasen avslutas.
OBS: Tidpunkten för avtagande balkslutaren är också under kontroll av experimentet timing, som är uppräknad i tabell 1. - Set intensiteter och frekvens detunings hos MOT laserstrålar enligt tabell 3 för kylningsfasen.
OBS: Efter kylfasen, temperaturen hos denMOT reduceras till cirka 300 μK. - För pumpfasen program försöket tids filen för att stänga av repumping balkar med AOM.
OBS: Den pumpfasen pumpar alla atomer i de lägsta hyperfina tillstånden 2 2 S 1/2 (F = 1/2). - Stänga de MOT-balkar och skiftlaserfrekvensen 30 MHz under atomövergångs resonansen av AOM, och blockera den läckande ljus från AOMs med optiska slutare.
OBS: Efter MOT skede kommer eventuellt läckage av resonans ljus atom molnet resultera i atom förlust. Tidpunkten för AOM-kontroll och MOT stråle slutare är alla uppräknade i tabell 1. - Efter den dynamiska MOT, förvärva bildramar från kameran. Få absorption avbildning av MOT.
OBS: Det atomnummer MOT är omkring 10 7 efter pumpningsfasen. En typisk absorption bild av MOT visas i figur 7a.
- Load, kompilera och köra experimentet tids filen i tidsstyrprogrammet på en slinga med mjukvarustyrning. Experimentet timing börjar med MOT laddningsfasen. Övervaka MOT fluorescenssignalen i fotodetektorn för att nå 2 V, vilket indikerar omkring 10 9 atomer i MOT.
- Optisk Dipol Trap
OBS: ODT är det viktigaste verktyget för att skapa ultrakalla Fermi gaser. För att generera en djup ODT, en fiberlaser med 100 W emissionseffekt vid 1064 nm våglängd används. Installationen av ODT visas i Figur 8.- Slå på vattenflödet för kylning av laserstråle soptippar.
- Ställa in ODT AOM styrspänning till en V manuellt. Slå på fiberlaser med 13 W emissionseffekten.
- Kontrollera ODT optik med en infraröd ljusvisare, och ta bort damm med argon gasflöde.
OBS! Damm på optiken kan ändra den rumsliga profilen på ODT och orsaka instabilitet i ODT. - Befalla fiberlasern AFG att alstra en laserpuls via AFG styrprogrammet.
OBS: Utsignalen från laserpulsen utlöses av experimentet timing, och starttiden för denna puls är satt till 14 ms före slutet av den MOT laddningsfasen. PULSe sekvensstyrning visas i figur 1, och tidpunkten är listad i tabell 1. - in manuellt ODT AOM styrspänning till 8 V (80% av den mättade radiofrekvenseffekt).
OBS: Den maximala rf-effekt av AOM föraren bör begränsas till 80% av den mättade strömmen för att reducera den termiska linseffekt. - Förvärva absorption bilder av MOT och ODT från kameran.
OBS: Kontrollera överlappningen av MOT och ODT genom sin absorption avbildning. Figur 7b visar typiska absorption bilder av MOT och ODT, respektive.
- Förmagnetiseringsfält och Spin Blandning RF-fält
NOTERA: För att generera en samverkande Fermi gas, är ett förmagnetiseringsfält i vertikal riktning anbringas för att avstämma s -våg spridningslängd.- Ställa H-bryggan i experimentet timing programmet så att de magnetiska fältkonfigurationsändringar från anti-Helmholtz till Helmholtz.
OBS! HelmHoltz spolar generera förmagnetiseringsfält för avstämning interatomära interaktion. - Ställa in förmagnetiseringsfält till 330 G i kanal 2 och 527,3 G i kanalen 3 av magneter styrprogrammet.
- Programmera experimentet tidssekvensen för att svepa det magnetiska fältet från 0 G till 330 T efter MOT är avstängd.
OBS: Detta magnetfält svep förbereder en svagt samverkande sex Li Fermi gas för standard evaporativ kylning. - Programmera ett magnetfält svep från 330 G till 527 G under en icke-interagerande Fermi gas 14.
OBS: Magnetfältet sekvensen från 6.2.1-6.2.4. visas i figur 1, och tidpunkten är listad i tabell 1. - Tillämpa en bullrig rf puls för att skapa en 50:50 blandning av de två lägsta hyperfina tillstånden 2 2 S 1/2 (F = 1/2, m F = ± 1/2) av 6 Li.
- Avstämma låst laserfrekvensen resonans med atomerna på527,3 G (som motsvarar övergången 2 2 S 1/2 (F = 1/2, m F = -1/2) → 2 2 P 3/2 vid det låga magnetfältet) genom att ändra den utgående frekvensen för RF-signalen generator.
OBS: Resonansfrekvensen maximerar atomen antalet absorptionen avbildning, vilken används för att styra frekvensjusteringen. Endast de spinn ner atomer avbildas att presentera atom molnet eftersom 50:50 spin blandningarna användes för experimentet.
- Ställa H-bryggan i experimentet timing programmet så att de magnetiska fältkonfigurationsändringar från anti-Helmholtz till Helmholtz.
- Evaporativ kylning av Trap Sänkning
OBS: En standard evaporativ kylning används för att kyla de fermioniska atomer av 6 Li nära den degenererade regimen. Den första etappen av evaporativ kylning styrs av pulsen av fiberlaser och den andra styrs av ODT AOM. Den nästan degenererade Fermi gas kommer att användas som prov för parametriska kylning.- Startar den första etappen av evaporativ kylning with styrmjukvaran genom pulsning av fiberlasereffekten, vilket ökar fällan djupet av ODT till U 0, sedan tillbaka till 0,1 U 0 (U 0 är den fulla fälla djup med lasereffekten av 100 W). Den totala tiden för detta steg är 0,5 s.
OBS: pulsvaraktighet som motsvarar U 0 bör begränsas till 0,5 s för att undvika den termiska linseffekt. - Programmet ODT AOM med en exponentiell kurva som visas i Figur 1. Efter det första steget av evaporativ kylning är klar, väntar 30 ms, och sedan starta den andra fasen av evaporativ kylning genom att sänka fällan djup från 0,1 U 0-0,01 U 0 genom ODT AOM. Den totala tiden för detta steg är 1,5 s.
- Förvärva absorptionen avbildning av de kalla atomer efter evaporativ kylning.
OBS: Ca 10 5 atomer är kvar i ODT efter evaporativ kylning, som kan beräknas frånabsorption bild.
- Startar den första etappen av evaporativ kylning with styrmjukvaran genom pulsning av fiberlasereffekten, vilket ökar fällan djupet av ODT till U 0, sedan tillbaka till 0,1 U 0 (U 0 är den fulla fälla djup med lasereffekten av 100 W). Den totala tiden för detta steg är 0,5 s.
- Trap Djup Modulation
- Vänta 100 ms efter den magnetiska svep till 527,3 G. modulera fällan Djup med ODT AOM av U (t m) = 0,01 U 0 (1 + δ cos (ω m t m)), där δ är modulationsdjupet och ω m är moduleringsfrekvensen. Ställa moduleringstiden t m i den parametriska module AFG styrprogram. Tidssekvensen för modulationen visas i figur 1.
OBS: Detta är nyckelsteget genomföra parametriska kylning. - Programmera APG att frigöra atomer från ODT genom abrupt stänga av fångst balkar. Låt gasen ballistiskt expandera för 300 us före applicering absorption avbildning.
OBS! Ballistiska expansionen används med TOF absorption imaging att få temperature av de kalla atomer. - Förvärva absorptionen bilden av de kalla atomer efter parametrisk kylning.
- Vänta 100 ms efter den magnetiska svep till 527,3 G. modulera fällan Djup med ODT AOM av U (t m) = 0,01 U 0 (1 + δ cos (ω m t m)), där δ är modulationsdjupet och ω m är moduleringsfrekvensen. Ställa moduleringstiden t m i den parametriska module AFG styrprogram. Tidssekvensen för modulationen visas i figur 1.
- Tidsberoende mätning
OBS: I vårt tidigare arbete 7, fann vi den optimerade frekvensen hos den parametriska kylning för att vara 1,45 ω x, där ω x är den radiella infångningsfrekvensen för ODT vid 0,01 U 0. Med användning av denna frekvens, kan vi selektivt avlägsna högenergetiska atomer längs den axiella riktningen.- Ställa moduleringsdjupet för att ö = 0,5 via den parametriska module AFG styrprogram.
- Använd den externa trigger styrfunktion av den parametriska module AFG att ändra moduleringstiden från 0 till 600 ms genom att variera moduleringscykelnummer.
OBS: Med den ökande av moduleringstiden, kommer storleken på den atomära molnet reduceras, särskilt den axiella riktningen. De relevanta resultaten visas i Figur 9. Förvärva bildramar från kameran. Spara och analysera bilderna genom CCD styrprogrammet.
OBS: CCD-kamera används för att registrera absorptionen avbildning av de kalla atomer, som är den viktigaste diagnostiska verktyget av kalla atomer.
3. 671 nm Laser Framställning
OBSERVERA: En 671 nm enda frekvens ECDL med 500 mW uteffekt används för att generera den MOT kylning och fångst balkar. En annan 671 nm ECDL av 35 mW används för absorption avbildning. En digital laserström moduleringsförfarandet (DLCM)appliceras för laserfrekvensstabilisering 10. De relaterade 6 Li energinivåer visas i figur 3a. Rumstemperatur stabiliteten för 20 ± 1 ° C erfordras för den optimala stabiliteten för låsning laserfrekvensen.
4. Absorption Imaging Framställning
OBS: Atomerna är sonderades med absorption avbildning, som behöver två bildramar. Den första med atomerna är signalramen, och den andra en utan atomer är referensramen.
5. Kylning Atomer med MOT
OBS: MOT är en allmänt använd kylningsmetod i ultrakalla atomer experiment. Denna sektion alstrar en MOT på cirka en miljard 6 Li-atomer vid ca 300 μK.
7. Parametrisk Kylning
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Användning av detta protokoll, studerar vi beroendet av den parametriska kylning på moduler tid med den optimerade moduleringsfrekvensen och amplituden, som båda har bestämts i vår tidigare publikation 7. Vi förbereder först en icke-interagerande Fermi gas av 6 Li-atomer i de två lägsta hyperfina stater med en temperatur på T / T F ≈ 1,2. Här, T F = (6N) 1/3 ħ ω / k B = 5,2 μK bestäms med atomnummer N = 1,7 x 10 5 per dragning och den geometriska genomsnittliga infångningsfrekvens ω = (ω x ω y ω z) 1 / 3 = 2π × (2250 × 2450 × 220) 1/3 Hz, H är den reducerade Plancks konstant och k B är Boltzmanns konstant. Tiden-osjälvständiga resultat visas i Figur 9 med moduleringsfrekvensen av 1.45ω x, och moduleringsdjup på 0,5. De TOF absorption bilderna av de atommoln (Figur 9a) visar en väsentlig minskning av den axiella molnet storlek med den ökande av moduleringstiden, vilket indikerar den absoluta temperaturen kontinuerligt reduceras genom parametrisk kylning.
För kvantitativt beskriva kyleffekten använder vi E (x, z) / E F som en effektiv termometri för ultrakalla Fermi gaser 7, där E F är fermienergin och E (x, z) är atommoln energier i den radiella och axiella riktningar respektive. Vi extrahera första numret oberoende medelkvadrat storlek (NIMS) från atom molnet. Därefter från NIMS beräknar vi E (x, z) / E F i figur 9b. Efter ca 500 ms modulering, är den E z / E F minskade signifikant 1,80-0,90 och E x / E F är något ökade något 1,20-1,25. De minskande atomnummer i figur 9b infälld indikerar atomer är utvisas ur fällan. Vi finner att parametrisk kylning ändrar atom molnet energi i ett anisotropt sätt, i vilka energin i den axiella riktningen är under Fermienergin medan den radiella en är fortfarande över Fermi energi. Det noteras att de initiala ojämlika energier i axiell och radiell riktning (Figur 9b) genereras av den snabba fällan sänkning tillämpas i avsnitt 6,3. Efter den parametriska kylning hålles den axiella riktningen energin minskas betydligt medan den radiella energin knappt förändrats. Detta resultat tyder på det sätt som parametrisk kylning ändrar molnet energi är anisotropisk. Denna anisotropa effekt beror på det faktum attdominerande anharmonicity av korsade stråle ODT är längs den axiella riktningen 7. Sådana termodynamiskt anisotropa prover kan användas för att studera termprocesser i en samverkande många-kropp kvantsystem.
Figur 1: ultrahög vakuumsystem. Vakuumkammaren av ultrakalla atom apparat vid IUPUI. 1. ugn, 2. Zeeman långsammare, 3. magnetspolar, 4. experiment kammaren och 5. CCD-kamera. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 2: tidssekvens för den parametriska kylning. Den svarta kurvan är fiberlasereffekt timing. Den röda kurvan är en of ODT AOM timing. Cyan kurvan representerar det magnetiska fältet. Den orange kurvan är de TOF avbildningspulser. Den horisontella axeln visar tidsskalan för varje steg. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 3: Atomic nivåer av 6 Li och laserfrekvenslåsning spektra. a) 6 Li D 2 övergång för kyl- och repumping balkar av MOT. b) Den gula kurvan är Doppler-fri mättad absorptionsspektra för 6 Li D 2 linje, och den röda kurvan är den relaterade lock-in-felsignal. Den vänstra toppen är den 2 2 S 1/2 (F = 3/2) → 2 2 P 3/2 övergång, är den rätta de två2 S 1/2 (F = 1/2) → 2 2 P 3/2 övergång, och den mittersta är crossover-signalen av de två övergångarna. Den avskiljande tvär är låset punkten. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 4: 6 Li ugn. Varje märkt sektion innehåller en temperaturstyrd värmeslinga för ugnen för att mata ut den erforderliga atomflödet. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figu re 5: Zeeman långsammare. Den crossover polen är den sista delen av Zeeman långsammare. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 6: MOT optisk layout. Den optiska setup för generering av MOT och bromsar laserstrålar. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 7: MOT och ODT absorption bilder. a) MOT bild efter pumpfasen. b) Bilden av den överlappade MOT och ODT._upload / 55409 / 55409fig7large.jpg" target = "_ blank"> Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 8: Korsade-Beam ODT optiska layouten. Korsningsvinkeln för ODT är 2θ = 12 °. Fiberlasern AFG styr pulsning av lasern, ODT AFG styr fällan sänkkurvan, och den parametriska moduler AFG styr laserintensitetsmodulering. Strålmidjan av båda strålarna är omkring 37 | im. Polariseringen av den första balken är vertikal och polariseringen av den andra strålen är horisontell. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 9: Tidberoende mätning av parametrisk kylning. a) Absorptionsegenskaperna bilder av de atomära moln av olika moduleringstider. b) Beroendet av E (x, z) / E F på moduleringstiden (blå cirklar är för E z / E F och de röda kvadrater är för E x / E F). Den infällda figuren är atomnummer kontra modulationstidsintervallet. Felstaplar representerar en standardavvikelse. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
| MOT belastning på | Startpunkt |
| MOT laddningstid | 10 s |
| MOT kylning på | MOT lastning av |
| MOT kyltid | 5 ms |
| MOT pumpa på | MOT cooling off |
| MOT pumptid | 100 ^ s |
| MOT AOM off | MOT av (Samma som MOT pumpning av) |
| Zeeman långsammare strålen slutare på | 200 ms före MOT lastning av |
| MOT stråle slutare på | MOT off |
| Fiberlaser evaporativ kylning starttid | 14 ms före slutet av MOT loading |
| ODT avdunstningskylnings starttid | 500 ms efter MOT off |
| H-brygga switch tid | MOT off |
| Magnetfält svepstarttiden (från 0 till 330 g) | MOT off |
| Magnetfält svepstarttiden (från 330 till 527.3G) | 2.000 ms efter MOT off |
| Parametrisk kylning starttid | 2500 ms efter MOT off |
| Avbildningspulsutlösningstiden | 3200 ms efter MOT off |
| CCD trigger tid | 100 jis före avbildningspulsutlösningstiden |
Tabell 1: Experimentell tidsstyrning. Tidssekvensparametrar för att styra experimentella instrument. Tidssekvensen börjar vid MOT lastning, kylning och pumpning. MOT off är tidpunkten för efter MOT pumpning.
| kanal 1 | kanal 2 | kanal 3 | Channel 4 | kanal 5 |
| 348 ° C | 354 ° C | 434 ° C | 399 ° C | 372 ° C |
Tabell 2: Oven temperaturprofil. Den 6 Li ugn arbetar vid optimal flux med de angivna temperaturerna.
| Fas | Läser in | Kyl | pumpning | |||
| Stråle | Kyl | Repumping | Kyl | Repumping | Kyl | Repumping |
| Avstämning från låst övergång (MHz) | -28 | -28 | -5 | -5 | -2 | AV |
| Intensitet (jag satt) | 2 | 1 | 0,1 | 0,05 | 0,08 | AV |
Tabell 3: MOT faser egenskaper. MOT fassekvensen är utformad för att maximera the antalet atomer som skall överföras in i ODT.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Presenterar vi ett experimentellt protokoll för parametrisk kylning av en icke-interagerande Fermi gas i ett korsat-stråle optisk fälla. De kritiska stegen i detta protokoll är: För det första måste den optiskt-fångade Fermi gasen som skall kylas nära den degenererade temperaturen genom sänkning av fällan djupet. Andra, en moduleringsfrekvens väljas som är i resonans med den anharmonic komponenten av infångningspotentialen. Tredje, är intensiteten hos infångningstrålen moduleras för att kyla den atommoln och mäta beroendet av molnet energi på moduleringstiden.
Jämfört med fällan sänkande systemet, erbjuder den parametriska kylningsschema ett selektivt sätt för att avlägsna hög energi atomer från den optiska fällan utan att sänka fällan djupet. Det bidrar till att öka fas densiteten och kyla en icke-interagerande Fermi gas. Eftersom sådan parametrisk kylning är vanligen anisotropt, det ger också en bekväm metod för att modifiera temperaturen anisotropin i kvant gases.
Att möjliggöra parametrisk kylning, kräver det nuvarande protokollet en Fermi gas i närheten av degenererade temperaturen som startpunkt. Kyleffekten är också begränsad till den axiella riktningen av infångningspotentialen. Dessa två begränsningar orsakas av den ändliga anharmonicity av korsade stråle ODT som görs av Gaussiska laserstrålar i det nuvarande protokollet. För att förlänga denna metod för olika atomslag och tillämpa den för större temperaturområde, måste vi öka anharmonicity av fånga potential.
Vi föreslår två förbättringar för kylning teknik. Först, kan parametriska kylning implementeras med en infångande potential med stor anharmonicity i alla tre riktningar, såsom box fällor 15 eller effekträttsliga fällor 16, vilka har potential att direkt kyla de fångade atomer från det termiska tillståndet till den degenererade regimen utan kräver sänkning av optisk fälla vidAllt. Andra, genom att periodiskt skaka optisk infångning potentialen genom en AOM 17, kan vi syntetisera den optiska fällan med stor anharmonicity använder Floquet metoden 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).
