Name: Raffreddamento un otticamente Intrappolato ultrafreddi Fermi gas da guida periodica (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2017-03-30T14:00:00.000+00:00
Duration: 11 min 21 s
Description: Scopri il raffreddamento parametrico di gas di Fermi ultrafreddi in trappola ottica mediante modulazione periodica dell'intensità laser. Questo metodo efficiente consente di raggiungere temperature nel regime dei microKelvin per studi di fisica quantistica.

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Ringraziamo Ji Liu e Wen Xu per aver partecipato alla configurazione sperimentale. Le Luo è membro dell'Indiana University Center for Spacetime Symmetries (IUCSS). Questo lavoro è stato sostenuto da IUPUI e IUCRG.

<ol><li>Petrich, W., Anderson, M. H., Ensher, J. R., Cornell, E. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Stable%2C+tightly+confining+magnetic+trap+for+evaporative+cooling+of+neutral+atoms%5BTitle%5D)+AND+%22Phys.+Rev.+Lett%22%5BJournal%5D)">Stable, tightly confining magnetic trap for evaporative cooling of neutral atoms.</a> Phys. Rev. Lett. 74 (17), 3352(1995).</li>
<li>Ketterle, W., Druten, N. J. V. Evaporative cooling of trapped atoms. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aKetterle%2C+W+%22Advances+in+Atomic%2C+Molecular%2C+and+Optical+Physics%22">Advances in Atomic, Molecular, and Optical Physics</a>. Bederson, B., Walther, H., et al. 37, Academic Press 181-236 (2003).</li>
<li>Truscott, A. G., Strecker, K. E., McAlexander, W. I., Partridge, G. B., Hulet, R. G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Observation+of+Fermi+pressure+in+a+gas+of+trapped+atoms%5BTitle%5D)+AND+%22Science%22%5BJournal%5D)">Observation of Fermi pressure in a gas of trapped atoms.</a> Science. 291 (5513), 2570-2572 (2001).</li>
<li>DeMarco, B., Jin, D. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Onset+of+Fermi+degeneracy+in+a+trapped+atomic+gas%5BTitle%5D)+AND+%22Science%22%5BJournal%5D)">Onset of Fermi degeneracy in a trapped atomic gas.</a> Science. 285 (5434), 1703-1706 (1999).</li>
<li>Granade, S. R., Gehm, M. E., O'Hara, K. M., Thomas, J. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((All-optical+production+of+a+degenerate+Fermi+gas%5BTitle%5D)+AND+%22Phys.+Rev.+Lett%22%5BJournal%5D)">All-optical production of a degenerate Fermi gas.</a> Phys. Rev. Lett. 88 (12), 120405(2002).</li>
<li>Luo, L., et al. <a target="_blank" href="http://iopscience.iop.org/article/10.1088/1367-2630/8/9/213">Evaporative cooling of unitary Fermi gas mixtures in optical traps.</a> New J. Phys. 8 (9), 213(2006).</li>
<li>Li, J., Liu, J., Xu, W., de Melo, L., Luo, L. <a target="_blank" href="https://arxiv.org/abs/1512.01277">Parametric cooling of a degenerate Fermi gas in an optical trap.</a> Phys. Rev. A. 93 (4), 041401(2016).</li>
<li>Poli, N., Brecha, R. J., Roati, G., Modugno, G. <a target="_blank" href="http://journals.aps.org/pra/abstract/10.1103/PhysRevA.65.021401">Cooling atoms in an optical trap by selective parametric excitation.</a> Phys. Rev. A. 65 (2), 021401(2002).</li>
<li>Kumakura, M., Shirahata, Y., Takasu, Y., Takahashi, Y., Yabuzaki, T. <a target="_blank" href="http://journals.aps.org/pra/abstract/10.1103/PhysRevA.68.021401">Shaking-induced cooling of cold atoms in a magnetic trap.</a> Phys. Rev. A. 68 (2), 021401(2003).</li>
<li>Li, J., et al. <a target="_blank" href="https://www.osapublishing.org/ao/abstract.cfm?uri=ao-54-13-3913">Sub-megahertz frequency stabilization of a diode laser by digital laser current modulation.</a> Appl. Opt. 54 (13), 3913-3917 (2015).</li>
<li>Hamamatsu Photonics Deutschland GmbH. <a target="_blank" href="http://www-bl20.spring8.or.jp/detectors/manual/HiPic91.pdf">HiPic user manual</a>. , (2016).</li>
<li>Luo, L. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=%22Entropy+and+superfluid+critical+parameters+of+a+strongly+interacting+Fermi+gas+%5BPh.D.+%5D%22">Entropy and superfluid critical parameters of a strongly interacting Fermi gas [Ph.D. thesis]</a>. , Duke University. (2008).</li>
<li>Ries, M. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=%22A+magneto-optical+trap+for+the+preparation+of+a+three-component+Fermi+gas+in+an+optical+lattice+%5BDiploma+%5D%22">A magneto-optical trap for the preparation of a three-component Fermi gas in an optical lattice [Diploma thesis]</a>. , University of Heidelberg. (2010).</li>
<li>Bartenstein, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Precise+determination+of+6Li+cold+collision+parameters+by+radio-frequency+spectroscopy+on+weakly+bound+molecules%5BTitle%5D)+AND+%22Phys.+Rev.+Lett%22%5BJournal%5D)">Precise determination of 6Li cold collision parameters by radio-frequency spectroscopy on weakly bound molecules.</a> Phys. Rev. Lett. 94 (10), 103201(2005).</li>
<li>Gaunt, A. L., Schmidutz, T. F., Gotlibovych, I., Smith, R. P., Hadzibabic, Z. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Bose-Einstein+condensation+of+atoms+in+a+uniform+potential%5BTitle%5D)+AND+%22Phys.+Rev.+Lett%22%5BJournal%5D)">Bose-Einstein condensation of atoms in a uniform potential.</a> Phys. Rev. Lett. 110 (20), 200406(2013).</li>
<li>Bruce, G. D., Bromley, S. L., Smirne, G., Torralbo-Campo, L., Cassettari, D. <a target="_blank" href="https://arxiv.org/abs/1109.1502">Holographic power-law traps for the efficient production of Bose-Einstein condensates.</a> Phys. Rev. A. 84 (5), 053410(2011).</li>
<li>Roy, R., Green, A., Bowler, R., Gupta, S. <a target="_blank" href="https://arxiv.org/abs/1601.05103">Rapid cooling to quantum degeneracy in dynamically shaped atom traps.</a> Phys. Rev. A. 93 (4), 043403(2016).</li>
<li>Bukov, M., D'Alessio, L., Polkovnikov, A. <a target="_blank" href="https://arxiv.org/abs/1407.4803">Universal high-frequency behavior of periodically driven systems: from dynamical stabilization to Floquet engineering.</a> Adv. Phys. 64 (2), 139-226 (2015).</li>
</ol>

Gli autori non hanno nulla da rivelare. Le citazioni specifiche di prodotti e aziende sono solo a scopo di chiarimento e non costituiscono un'approvazione da parte degli autori.

Presentiamo un protocollo sperimentale per il raffreddamento di un parametrica non interagente Fermi gas in una trappola ottica attraversato fascio. Le fasi critiche di questo protocollo includono: In primo luogo, il gas di Fermi otticamente intrappolati deve essere raffreddato vicino alla temperatura degenerato abbassando la profondità trappola. Secondo, una frequenza di modulazione è scelto che è risonante con il componente anarmonico del potenziale intrappolamento. In terzo luogo, l&#39;intensità del fascio di intrap...

Negli ultimi due decenni, varie tecniche di raffreddamento sono state sviluppate per la generazione di condensati di Bose-Einstein (BEC) e degenerare gas di Fermi (DFG) da vapori atomici caldi 1, 2, 3, 4, 5. BEC e DFG sono nuove fasi della materia che esistono in temperature estremamente basse, solitamente un milionesimo di grado sopra lo zero assoluto, nettamente inferiori a quelli normalmente presenti sulla Terra o nello spazio. Per ottenere tali temperature basse, la maggior parte dei metodi di raffreddamento si basano sulla riduzione del potenziale intrappolamento per raffreddare gli atomi per evaporazione. Tuttavia, lo schema abbassamento diminuisce anche il tasso di collisione degli atomi, che limita l&#39;efficienza di raffreddamento quando il gas raggiunge il regime quantistico 6. In questo articolo, presentiamo un metodo &quot;espulsione&quot; raffreddare per evaporazione un gas ultrafreddi Fermi in un colpo ODTabbassando la profondità trappola. Questo metodo si basa sulla nostra recente studio parametrico di raffreddamento 7, che mostra diversi vantaggi rispetto ai regimi abbassamento 7, 8, 9. L&#39;idea chiave dello schema parametrica è di impiegare l&#39;anarmonicità del ODT-attraversato fascio, che rende gli atomi caldi vicino al bordo del potenziale intrappolamento sentono le frequenze di cattura non inferiore ai atomi freddi del centro. Questo permette anarmonicità gli atomi caldi per essere selettivamente espulsi dalla trappola modulando il potenziale intrappolamento a frequenze risonanti con gli atomi ad alta energia. Il protocollo sperimentale di raffreddamento parametrica richiede un gas pre-raffreddato non interagenti Fermi vicino alla temperatura degenerata. Per implementare questo protocollo, un modulatore acusto-ottico (AOM) è utilizzato per modulare l&#39;intensità dei fasci di cattura di controlling modulazione di frequenza, profondità e tempo. Per verificare l&#39;effetto di raffreddamento, la nube atomico sia rilevato l&#39;imaging assorbimento di tempo di volo (TOF), in cui un fascio laser risonante illumina la nube atomica e l&#39;ombra assorbimento viene catturata da un dispositivo ad accoppiamento di carica (CCD). Le proprietà cloud, come il numero di atomi, energia e temperatura, sono determinati dalla densità colonna. Per caratterizzare l&#39;effetto di raffreddamento, si misura la dipendenza delle energie nube sulle varie volte modulazione.

<table><tbody><tr><td>500 mW 671 nm ECDL</td><td>Toptica</td><td>TA Pro</td><td>Quantità: 1</td></tr><tr><td>35 mW 671 nm ECDL</td><td>Toptica</td><td>DL-100</td><td>Quantità: 1</td></tr><tr><td>671 nm AOM</td><td>Isomet</td><td>1206C</td><td>Quantità: 3</td></tr><tr><td>671 nm AOM Driver</td><td>Isomet</td><td>630C-110</td><td>Quantità: 3</td></tr><tr><td>100 W 1.064 nm CW laser</td><td>IPG fotonica</td><td>YLR-100-1064-LP</td><td>Quantità: 1</td></tr><tr><td>1.064 nm AOM</td><td>IntraAction</td><td>ATM-804DA6B&nbsp;</td><td>Quantità: 1</td></tr><tr><td>Driver AOM 1.064 nm</td><td>IntraAction</td><td>ME-805EH&nbsp;</td><td>Quantità: 1</td></tr><tr><td>Generatore di funzioni arbitrarie</td><td>Agilent&nbsp;</td><td>33120A</td><td>Quantità: 3</td></tr><tr><td>Scheda I/O digitale</td><td>United Electronic Industries</td><td>PD2-DIO-128</td><td>Quantità: 1</td></tr><tr><td>Piattaforma di progettazione di sistemi</td><td>National Instruments</td><td>LabVIEW</td><td>Quantità: 1</td></tr><tr><td>Dispositivo di uscita tensione analogica</td><td>Calcolo di misurazione</td><td>USB-3104</td><td>Quantità: 1</td></tr><tr><td>Telecamera CCD</td><td>Hamamatsu</td><td>Orca R2</td><td>Quantità: 1</td></tr><tr><td>Generatore di impulsi arbitrario</td><td>Quantum Composer</td><td>9618+</td><td>Quantità: 1</td></tr><tr><td>Dispositivo di uscita tensione analogica</td><td>Calcolo di misurazione</td><td>USB-3104</td><td>Quantità: 1</td></tr><tr><td>alimentatore</td><td></td><td></td> da 20 A <td>Quantità: 1</td></tr><tr><td>alimentatore</td><td></td><td></td> da 10 <td>A Quantità: 1</td></tr><tr><td>alimentatore</td><td></td><td></td> da 120 A <td>Quantità: 2</td></tr><tr><td>ventole</td><td></td><td></td> <td>di raffreddamentoQuantità: dipende dal design dell'apparecchio</td></tr><tr><td>671 nm Specchi</td><td></td><td></td><td>Quantità: dipende dal design dell'apparecchio</td></tr><tr><td>671 nm Quantità di piastra</td><td></td><td></td> a semionda<td>: dipende dal design dell'apparecchio</td></tr><tr><td>671 nm Quantità di piastra</td><td></td><td></td> a quarto d'onda<td>: dipende dal design dell'apparecchio</td></tr><tr><td>500 mW Beam Shutter</td><td></td><td></td><td>Quantità: dipende dal design dell'apparecchio</td></tr><tr><td>671 nm Lenti</td><td></td><td></td><td>Quantità: dipende dal design dell'apparecchio</td></tr><tr><td>Isolatore</td><td></td><td></td> di Faraday <td>Quantità: 2, uno per ogni</td></tr><tr><td>divisore</td><td></td><td></td> di fascio polarizzatore ECDL 671 nm <td>Quantità: dipende dal design dell'apparecchio</td></tr><tr><td>Fotorivelatore</td><td>Thorlabs</td><td>SM05PD1A</td><td>Quantità: 1</td></tr><tr><td>Multiplexer&nbsp;</td><td>Analog Devices</td><td>ADG409</td><td>Quantità: 1</td></tr><tr><td>multiplexer&nbsp;</td><td>Analog Devices</td><td>ADG408</td><td>Quantità: 2</td></tr><tr><td>lenti</td><td></td><td></td> piano-concave da 1.064 nm <td>Quantità: 1 per riduttore di fascio</td></tr><tr><td>1.064 nm lente</td><td></td><td></td> piano-convessa <td>Quantità: 1 per riduttore di fascio</td></tr><tr><td>da 1.064 nm Specchi</td><td></td><td></td><td>Quantità: dipende dal design dell'apparecchio</td></tr><tr>Piastre <td></td><td></td> a<td>semionda da 1.064 nm</td><td>Quantità: dipende dal design</td></tr> <tr><td>dell'apparecchioQuantità di lenti</td><td></td><td></td> da 1.064 nm: <td>dipende dal design dell'apparecchio</td></tr><tr><td>Quantità di polarizzatore</td><td></td><td></td> a film sottile da 1.064 nm<td>: 1</td></tr><tr><td>100 W, 1.064 nm Quantità di scarico</td><td></td><td></td> del fascio<td>: 1</td></tr><tr><td>100 W, 1.064 nm Quantità di misuratore</td><td></td><td></td> di potenza<td>: 1</td></tr><tr><td>Generatore di funzioni RF</td><td>Rigol</td><td>DG4162</td><td>Quantità: 1</td></tr><tr><td>Mini-circuiti</td> <td>dell'amplificatore di potenza RF</td><td>ZHL-100W-GAN+</td><td>Quantità: 1</td></tr></tbody></table>

raffreddamento un otticamente intrappolato ultrafreddi fermi gas da guida periodica

Cooling an Optically Trapped Ultracold Fermi Gas by Periodical Driving

Presentiamo un metodo di raffreddamento per un gas di Fermi freddo guidando parametricamente i moti atomici in una trappola di dipolo ottico a fascio incrociato (ODT). Il nostro metodo impiega l'anarmonicità dell'ODT, in cui gli atomi più caldi al bordo della trappola sentono le componenti anarmoniche del potenziale di intrappolamento, mentre gli atomi più freddi al centro della trappola sentono quello armonico. Modulando la profondità della trappola con frequenze che risuonano con i componenti anarmonici, eccitiamo selettivamente gli atomi più caldi fuori dalla trappola mantenendo gli atomi più freddi nella trappola, generando un raffreddamento parametrico. Questo protocollo sperimentale inizia con una trappola magneto-ottica (MOT) che viene caricata da uno Zeeman più lento. Gli atomi preraffreddati nel MOT vengono quindi trasferiti a un ODT e viene applicato un campo magnetico di polarizzazione per creare un gas di Fermi interagente. Quindi abbassiamo il potenziale di intrappolamento per preparare un gas di Fermi freddo vicino alla temperatura degenere. Successivamente, sweepiamo il campo magnetico al regime non interagente del gas di Fermi, in cui il raffreddamento parametrico può essere manifestato modulando l'intensità dei fasci di intrappolamento ottico. Troviamo che l'effetto di raffreddamento parametrico dipende fortemente dalle frequenze e dalle ampiezze di modulazione. Con la frequenza e l'ampiezza ottimizzate, misuriamo la dipendenza dell'energia della nuvola dal tempo di modulazione. Osserviamo che l'energia della nuvola viene modificata in modo anisotropo, dove l'energia della direzione assiale viene significativamente ridotta dall'azionamento parametrico. L'effetto di raffreddamento è limitato alla direzione assiale perché l'anarmonicità dominante dell'ODT a fascio incrociato è lungo la direzione assiale. Infine, proponiamo di estendere questo protocollo per i potenziali di intrappolamento di grandi anarmonicità in tutte le direzioni, il che fornisce uno schema promettente per il raffreddamento dei gas quantistici utilizzando l'azionamento esterno.

Usando questo protocollo, si studia la dipendenza del raffreddamento parametrico sul tempo modulazione con la frequenza di modulazione di ampiezza e ottimizzato, entrambi i quali sono stati determinati nella precedente pubblicazione 7. Abbiamo dapprima una non interagenti gas di Fermi di 6 atomi di litio nei due bassi stati iperfini con una temperatura di T / T F ≈ 1.2. Qui, T F = (6N) 1...

Presentiamo un metodo di guida parametrica per raffreddare un gas di Fermi ultrafreddo in una trappola di dipolo ottico a fascio incrociato. Questo metodo rimuove selettivamente gli atomi ad alta energia dalla trappola modulando periodicamente la profondità della trappola con frequenze che risuonano con le componenti anarmoniche del potenziale di intrappolamento.

Raffreddamento un otticamente Intrappolato ultrafreddi Fermi gas da guida periodica

We present a cooling method for a cold Fermi gas by parametrically driving atomic motions in a crossed-beam optical dipole trap (ODT). Our method employs ...

L'obiettivo generale di questa procedura è raffreddare un gas Fermi ultrafreddo, intrappolato otticamente, fino al regime dei microKelvin modulando periodicamente l'intensità del fascio laser di intrappolamento. Questo metodo di raffreddamento può affrontare questioni fondamentali nella ricerca sugli atomi ultrafreddi, come la generazione di gas quantistici a temperature più basse per simulare fenomeni naturali simili alle novae. Il vantaggio principale del raffreddamento parametrico è che può raffreddare otticamente gas Fermi ultrafreddi, alcuni con soli sei atomi, con un'efficienza di raffreddamento molto elevata.Questa procedura complessa sarà attuata dal nostro ricercatore post-dottorato Jiaming Li. L'apparato per questo esperimento è già in posizione. Ci sono diversi componenti chiave che iniziano con il forno. Il forno emetterà litio-6 al flusso richiesto.Dopo aver lasciato il forno, il litio attraversa un rallentatore Zeeman e delle bobine di incrocio. Da qui, gli atomi raggiungono la camera dell'esperimento. La camera si trova tra bobine che generano un campo magnetico di tipo Helmholtz o anti-Helmholtz.Un fotodiodo monitora il segnale fluorescente attraverso il finestrino

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