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方法論記事

定期駆動することによって光学的に閉じ込められた超低温フェルミガスを冷却

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DOI:

10.3791/55409

⸱

2017年3月30日

 ,  , 
1Department of Physics, Indiana University–Purdue University Indianapolis (IUPUI)

この記事について

サマリー

私たちは、クロスビーム光学ダイポールトラップで超低温のフェルミガスを冷却するパラメトリック駆動方法を提示します。この方法は、トラップ電位の非調和成分と共鳴する周波数でトラップ深度を定期的に変調することにより、トラップから高エネルギー原子を選択的に除去します。

要約

私たちは、交差ビーム光学ダイポールトラップ(ODT)で原子運動をパラメトリックに駆動することにより、冷たいフェルミガスの冷却方法を提示します。私たちの方法は、トラップの端にある高温の原子がトラップ電位の非調和成分を感じ、トラップの中心にある冷たい原子が調和成分を感じるというODTの非調和性を採用しています。非調和成分と共鳴する周波数でトラップの深さを変調することにより、より高温の原子をトラップから選択的に励起し、より冷たい原子をトラップ内に保持し、パラメトリック冷却を生成します。この実験プロトコルは、ゼーマンの低速でロードされる磁気光学トラップ(MOT)から始まります。次に、MOT内で予冷された原子をODTに移し、バイアス磁場を印加して相互作用するフェルミガスを生成します。次に、トラップ電位を下げて、縮退温度付近で冷たいフェルミガスを準備します。その後、磁場をフェルミガスの非相互作用領域に掃引し、光トラップビームの強度を変調することでパラメトリック冷却を発現させることができます。パラメトリック冷却効果は、変調周波数と振幅に強く依存することがわかりました。最適化された周波数と振幅を使用して、雲のエネルギーの変調時間への依存性を測定します。雲のエネルギーは異方性に変化し、パラメトリック駆動によって軸方向のエネルギーが大幅に減少することが観察されます。クロスビームODTの支配的な非調和性は軸方向に沿っているため、冷却効果は軸方向に限定されます。最後に、このプロトコルを全方向の大きな無調和性のトラップポテンシャルに拡張することを提案し、外部駆動を使用して量子ガスを冷却するための有望なスキームを提供します。

概要

過去20年間では、様々な冷却技術は、ボーズ・アインシュタイン凝縮（BEC）を生成するために開発されており、ホット原子蒸気1、2、3、4、5からフェルミガス（DFG）を縮退します。 BECとDFG遠通常地球上又は宇宙に見られる以下の極低温に存在する物質の新規な相、絶対零温度以上程度の通常百万分の一です。このような低い温度を得るためには、ほとんどの冷却方法は、蒸発によって原子を冷却するためのトラップの可能性を下げることに依存しています。しかし、低下方式は、ガスが量子レジーム6に到達し、冷却効率を制限する原子の衝突速度を低下させます。この記事では、蒸発によってずにODTで極低温フェルミガスを冷却するための「排出」の方法を提示しますトラップの深さを下げます。このメソッドは、パラメータが低下スキーム7、8、9に比べていくつかの利点を示す、7を冷却する我々の最近の研究に基づいています。

パラメトリック方式のキーアイデアは、トラッピングポテンシャルの縁の近くに高温の原子が中心に冷たい原子よりも低いトラップ周波数を感じさせる交差ビームODTの非調和性を用いることです。この非調和性は高エネルギーの原子と共振周波数でトラップポテンシャルを変調する際に高温の原子を選択的にトラップから排出することを可能にします。

パラメトリック冷却の実験プロトコールは、縮退温度付近フェルミガスを非干渉予め冷却を必要とします。このプロトコルを実装するために、音響光学変調器（AOM）はcontrollinによってトラップビームの強度を変調するために使用されますG変調周波数、深さおよび時間。冷却効果を確認するために、原子雲は、共振レーザ光は、電荷結合素子（CCD）カメラによって捕捉され、原子雲吸収影を照明飛行時間型（TOF）の吸収イメージングによってプローブされます。このような原子番号、エネルギー、および温度などの雲特性は、カラムの密度によって決定されます。冷却効果を特徴づけるために、我々は、様々な変調時間にクラウドエネルギーの依存性を測定します。

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プロトコル

注：このプロトコルは、以下の機器を含む自作極低温原子の装置が必要：2つの外部空洞ダイオードレーザ（ECDL）、ECDLのロックの設定は10ロック周波数オフセット、ODT用ファイバレーザ、レーザ強度変調用AOMソース生成器と、無線周波数（RF）アンテナシステムとパワーアンプ、CCDカメラによる吸収イメージングシステム、タイミング・シーケンス及びデータ取得（DAQ）ためのコンピュータプログラム、撮像処理及びデータ分析のためのコンピュータプログラム、 MOTとバイアス磁界用電磁石の対、及び（ 図1に示されている）より遅い6 Li蒸気オーブンとゼーマン含む超高真空チャンバ。

注意：異なるパワーと波長の3つのレーザが使用されています。関連するレーザー安全データシートを参照し、適切なレーザー安全ゴーグルを選択してください。

1.タイミング続きROL

注：すべてのタイミングシーケンスは、タイミング制御プログラムを通じて128チャネルPCI DAQカードによって制御されています。タイミングシーケンスの解像度は100マイクロ秒です。いくつかの計装制御プログラムは、このようなファイバレーザ任意関数発生器（AFG）、ODT AFG、任意のパルス発生器（APG）、パラメトリック変調AFG、MOTマルチプレクサ、RF発生器などのように、機器の設定を制御するために使用されます。

  1. タイミング制御プログラムや機器の制御プログラムを開きます。
    注：タイミング制御プログラムは、タイミング制御ファイルを実行するための制御端子にTTL（トランジスタ・トランジスタ・ロジック）信号を送信します。いくつかの機器はリアルタイム制御のためのGPIB（IEEE 488）によってコンピュータに接続されています。
  2. 実験タイミングファイルを書き込み、 表1に示すようなタイミング・パラメータを設定します。
    注：MOTタイミングシーケンスの後にも、図2で示されています。

    3. 2. CCDカメラの準備

    注：CCDカメラは、冷原子の主な診断ツールである冷原子の吸収画像を記録するために使用されます。

    1. CCDカメラのドライバおよびその制御プログラムをオンにします。粒子画像流速測定法（PIV）モード11にCCDカメラを設定します。 5 msにCCDの露光時間を設定します。
      注：PIVモードは、吸収画像の信号対雑音比を増加させる信号と基準フレームとの間の時間のギャップを減少させます。
    2. CCDの露出を制御するために外部トリガを使用します
      注：CCDトリガ時間は、表1に列挙されています。

    3. 671 nmのレーザー調製

    注：500 mWの出力パワーと671 nmの単一周波数ECDLは、MOT冷却とトラッピングビームを生成するために使用されます。 35ミリワットの別の671 nmのECDLは吸収イメージングのために使用されます。デジタルレーザ現在の変調方式（DLCM）レーザ周波数安定化10に適用されます。関連6つのLiのエネルギーレベルは、 図3aに示されています。 20±1℃の室温安定性は、レーザ周波数ロックの最適な安定性のために必要とされます。

    1. MOTレーザー準備
      注：DLCM方式の光学セットアップと関連性の高い結果を参考10に提示されています。
      1. 6リチウム原子蒸気セルヒーターの電源を入れ、340°Cにそれを温めます。
      2. 1時間AOMロックレーザを温めます。
      3. レーザー周波数ロックコントローラをオンにして、そのソフトウェアを開きます。レーザー回折格子とソフトウェアでECDLの電流変調をオンにします。
        注：格子変調の変調周波数及び振幅は、それぞれ5 Hzから1.0 Vに設定されています。電流変調の変調周波数と振幅はレーザ線幅を減少させるために100kHzのそれぞれ0.0015 VのPPに設定されている10。
      4. ECDLの排出をオンにします。
        注：レーザ光がMOT光学セットアップを通過して実験真空チャンバに達します。
      5. 図3bに示すように6のLi D 2線のロックインエラー信号は、観察されるまでわずかに調整するために手動でレーザ周波数をECDLレーザの電流を調整します。
      6. 2 2 P 3/2遷移→2 2 S 1/2（F = 3/2）に制御ソフトウェアのロックポイントを設定する（ 図3aを参照して、 図3（b））。この遷移にレーザ周波数をロックし、遷移10の中心にロック点を調整します。
        注：レーザ周波数がロックされると、ロックインエラー信号がロック点付近の周波数変動に対応するロック点における小さな変動を示します。
    2. イメージングレーザー調製
      注：オフセットロック方式の光学セットアップと関連する結果は文献10に示されています。
      1. オフセットロックRF信号発生器をオンにします。
      2. 格子の変調をオンにし、そして2 Vに変調振幅を大きく
      3. 3.1.4.-3.1.5における周波数チューニング・プロセスを繰り返します。オシロスコープにおけるレーザ周波数ビーティング誤差信号及びRFスペクトルアナライザを取得します。
      4. オフセット2つのPIDフィードバックモジュールを介してロックのビート信号に対してレーザ周波数をロックします。
        注：レーザ周波数がロックされると、RFスペクトルにおけるビート信号のスペクトルは、ロックポイントで停止します。

    4.吸収イメージング調製

    注：原子が2つの画像フレームを必要とする吸収イメージングでプローブされます。原子を有する最初のものは、信号フレームであり、且つ原子ことなく、第2の一方は基準フレームです。

    1. APGをオンにしますおよびイメージングビームAOM。
    2. 10マイクロ秒に撮像パルス持続時間を設定し、5.5秒に2つの撮像フレームの間の分離時間を設定します。
    3. 約0.3 私が座っに結像ビーム強度を設定し、 私が座っここ= 2.54ミリワット/ cm 2で 6のLi D 2線の飽和吸収強度です。

    MOT 5.冷却原子

    注：MOTは、極低温原子の実験で広く使用されている冷却方法です。このセクションでは、約300μKで約10億6 Li原子のMOTを生成します。

    1. スロー原子源
      1. オーブンヒーターの電源をオンにします。
      2. オーブン温度が（ 表2を参照）の動作領域に達した後、遅いゼーマン冷却ファンをオンにします。ゆっくりそれぞれ7 A 1 Aへの2つのクロスオーバーコイルの電流に遅くまで9.2 A.ターンの電流を増加させます。
        注意：表2に列挙されたオーブンの温度分布は、原子源12のコリメーション及び寿命のために最適化されています。オーブン上のヒータの位置は、 図4に示されています。
      3. 原子シャッターを開くことにより、手動でゼーマン遅いレーザビームのブロックを解除します。赤色離調2 2 S 1/2（F = 3/2）→2 2 P 3/2遷移に192メガヘルツにレーザ光の周波数を設定します。
        注：この設定で、原子の速度は100m / sの1400メートル/ sから減速しています。遅いゼーマンは、 図5に示されています。
    2. 磁場勾配
      注：この装置は、アンチヘルムホルツ又はヘルムホルツ磁場のいずれかを生成するHブリッジスイッチ回路によって制御される一対のコイルを使用します。コイルは、過熱を防ぐために、冷却水です。
      1. ゆっくりと6ガロン/分の水の流れをオンにします。
      2. MOTローディングタイミングファイルでタイミング制御プログラムを実行することにより、抗ヘルムホルツ磁場設定用のHブリッジを設定します。
      3. 磁石の電源をオンにし、そしてMOT約22 G / cmでの磁場勾配を作成その制御プログラムを介して、約18 Aに各コイルの電流を設定します。
        注：磁場勾配がオンされた後に静的MOTは、実験室で観察されます。
    3. ダイナミックMOT
      注：6のLi MOTの光学セットアップは、互いに直交する全てのペアとMOTビームを伝播するカウンタの三対を含みます。各MOTビームは、冷却ビームと再ポンピングビームを含みます。 AOMによって制御されるビームの強度及び周波数離調は、3つの相の変化です。 AOMの制御電圧は、タイミング制御装置により指令マルチプレクサ回路を介して設定されています。三相のパラメータを、 表3に列挙されています。光学素人MOTビームのうち、図6に示されています。
      1. ロード、ソフトウェア制御とループのタイミング制御プログラムにおける実験タイミングファイルをコンパイルして実行します。実験タイミングは、MOTのローディングフェーズから始まります。 MOTに約10 9個の原子を示す2 Vに到達する光検出器でMOT蛍光シグナルを監視します。
        注：MOTの蛍光は、約10 -4ラジアンの空間角度でレンズによって集められます。ローディングフェーズ原子数は文献13の方法で計算することができます。
      2. ローディング段階が終了する前に減速ビームを遮断する光シャッタを使用します。
        注：減速ビームシャッターのタイミングは、表1に記載されている実験タイミングの制御下にあります。
      3. セット強度とMOTレーザ光の周波数離調冷却段階のために、表3に記載の方法。
        注：冷却段階の後、温度MOTは約300μKに減少しています。
      4. 圧送フェーズでは、プログラムファイルをタイミング実験はAOMで再ポンピング光をオフにします。
        注：ポンプ相が最小の超微細状態に全ての原子ポンプ2 2 S 1/2（F = 1/2）。
      5. MOTビームをオフにし、30 MHzのAOMによって原子遷移共鳴を下回るレーザ周波数をシフトし、光シャッター付きのAOMから漏れる光を遮断します。
        注：MOT段階の後、原子雲に共鳴光の漏れは、原子が失われます。 AOM制御及びMOTビームシャッターのタイミングは全て、表1に列挙されています。
      6. 動的MOT後、カメラからの撮像フレームを取得します。 MOTの吸収イメージングを取得します。
        注：MOTの原子数は約10 7ポンプフェーズの後です。 MOTの典型的な吸収画像は、 図7aに示されています。
    6。 ODTで超低温フェルミガスの準備

    1. 光双極子トラップ
      注：ODTは、極低温フェルミガスを生成するための主要なツールです。深いODT、1064nmの波長で100 Wの発光パワーを有するファイバレーザを生成するために使用されます。 ODTの設定は、 図8に示されています。
      1. レーザービームダンプを冷却するための水の流れをオンにします。
      2. 手動1 VにODT AOM制御電圧を設定します。 13 Wの発光パワーを有するファイバレーザをオンにします。
      3. 赤外光ビューアでODT光学系を確認し、アルゴンガス流量との任意のほこりを取り除きます。
        注：光学上のダストは、ODTの空間プロファイルを変更し、ODTの不安定性を引き起こす可能性があります。
      4. AFG制御プログラムを介してレーザパルスを生成するファイバレーザAFGをコマンド。
        注：レーザパルスの出力は、実験タイミングによってトリガされ、このパルスの開始時間は、MOTのローディングフェーズの終了前に、14ミリ秒に設定されています。 PULSEシーケンス制御は、図1に示され、そしてタイミングを、 表1に記載されています。
      5. 手動8 V（飽和RF電力の80％）のODT AOM制御電圧を設定します。
        注：AOMドライバの最大RF電力は、熱レンズ効果を低減するために、飽和パワーの80％に制限されるべきです。
      6. カメラからのMOTとODTの吸収画像を取得します。
        注：それらの吸収イメージングを通じてMOTとODTの重複をチェックしてください。 図7bは、それぞれ、MOTおよびODTの典型的な吸収画像を示します。
    2. バイアス磁界とスピンミキシングRFフィールド
      注：相互作用フェルミガスを生成するために、垂直方向のバイアス磁界が曲S -wave散乱長に適用されます。
      1. 実験タイミングプログラムでHブリッジを設定するようにヘルムホルツ反ヘルムホルツからの磁界構成の変更。
        注：ヘルムホルツコイルは、原子間の相互作用を調整するためのバイアス磁界を発生させます。
      2. チャネル2と磁石制御プログラムのチャンネル3で527.3 G 330 Gにバイアス磁界を設定します。
      3. MOTがオフされた後、330 G 0 Gからの磁界を掃引する実験タイミングシーケンスをプログラムします。
        注：この磁場掃引は、標準の蒸発冷却のために弱い相互作用6李フェルミガスを準備します。
      4. 番組非干渉フェルミガス14のための527 G 330 Gからの磁場スイープ。
        注：6.2.1-6.2.4からの磁界のシーケンス。 図1に示され、そしてタイミングを、 表1に記載されています。
      5. 6 Li が最も低い2つの超微細状態の50:50混合物2 2 S 1/2（F = 1/2、M F =±1/2）を作成するために、ノイズの多いRFパルスを適用します。
      6. 原子と共振チューンロックレーザ周波数527.3 G RF信号の出力周波数を変化させることによって（遷移2 2 S 1/2（F = 1/2、M F = -1/2）低磁場で→2 2 P 3/2に相当）ジェネレータ。
        注：共振周波数は、周波数調整を案内するために使用される吸収イメージングの原子の数を最大にします。 50:50スピン混合物を実験のために使用されるためだけスピンダウン原子は、原子雲を提供するように結像されます。
    3. 下げるトラップによって蒸発冷却
      注：標準の蒸発冷却が縮退政権の近くに6 Liがフェルミ原子を冷却するために使用されます。蒸発冷却の第一段階は、ファイバレーザのパルスによって制御され、第二はODT AOMによって制御されます。近縮退フェルミガスは、パラメトリック冷却のためのサンプルとして使用されます。
      1. 蒸発冷却ウィットの第一段階を開始します時間戻し0.1 U 0、U 0にODTのトラップ深さを増加させるファイバレーザパワーをパルスすることによって制御ソフトウェア（U 0は、100 Wのレーザパワーとの完全なトラップ深さです）。この段階の合計時間は0.5秒です。
        注：U 0に対応するパルス持続時間は、熱レンズ効果を避けるために、0.5秒に限定されるべきです。
      2. プログラム、図1に示すように、指数関数曲線とODT AOM。蒸発冷却の第一段階が終了した後、30秒待ってからODTのAOMを介してU 0 0.01 U 0 0.1からトラップ深さを低くすることによって蒸発冷却の第二段階を開始します。この段階の合計時間は1.5秒です。
      3. 蒸発冷却後、冷原子の吸収画像を取得します。
        注：約10 5個の原子が蒸発冷却後ODTに残っている、から計算することができます吸収画像。

    7.パラメトリック冷却

    1. トラップの深さのモジュレーション
      1. δは、変調深さおよびωは0.01 U 0（1 +δ のcos（ωmをT mを ））= U（T mの ）によってODT AOMとトラップ深527.3 G.変調する磁気掃引後100ミリ秒待ちますmは変調周波数です。パラメトリック変調AFG制御プログラムで変調時間t mを設定します。変調の時系列を図1に示されています。
        注：これは、パラメトリックな冷却を実現するための重要なステップです。
      2. 突然トラッピングビームをオフにすることで、ODTからの原子を解放するためのプログラムAPG。ガスは弾道吸収イメージングを適用する前に、300μsの拡大してみましょう。
        注：弾道展開はテンペを取得するために、TOF吸収イメージングで使用されています冷たい原子のrature。
      3. パラメトリック冷却した後、冷原子の吸収画像を取得します。
    2. 時間依存性の測定
      注：我々の以前の仕事7において、我々は、パラメトリック冷却の最適化された周波数をωxが 0.01 U 0でODTのラジアルトラップ周波数で1.45ωX、でした。この周波数を使用して、我々は、選択軸方向に沿って高エネルギーの原子を除去することができます。
      1. パラメトリック変調AFG制御プログラムを介し= 0.5δする変調の深さを設定します。
      2. 変調サイクル数を変えることにより、0から600ミリ秒の変調時間を変更するパラメトリック変調AFGの外部トリガ制御機能を使用します。
        注：変調時間の増加とともに、原子雲の大きさは、特に軸方向に削減されます。関連する結果は図9に示されています。
      3. カメラからの撮像フレームを取得します。 CCD制御プログラムを介して画像を保存し、分析します。

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結果

このプロトコルを使用して、我々は、我々の以前の出版物7で決定されているどちらも、最適化された変調周波数及び振幅で変調時間に対するパラメトリック冷却の依存性を調べます。まずT / T F≈1.2の温度で2つの最低超微細状態の6個の Li原子の非干渉フェルミガスを準備します。ここで、T F =（6N）1/3ħω/ K B = 5.2μKは原子数N =スピンあたり1.7×10 5及び幾何平均トラップ周波数ω=（ωXωyの ωz）を 1と判定されました/ 3 =2π×（2250×2450×220）1/...

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ディスカッション

我々は、クロスビーム光学トラップにおける非干渉フェルミガスのパラメトリック冷却のための実験プロトコルを提示します。このプロトコルの重要なステップは、まず、光学的にトラップされたフェルミガスは、トラップ深さを低下させることにより近い縮退温度まで冷却する必要があります。第二に、変調周波数はトラッピングポテンシャルの非調和成分と共振することに選択されます。第三に、トラップビームの強度は、原子雲を冷却し、変調時に雲エネルギーの依存性を測定するために変調されます。

トラップ低下方式に比べ、パラメトリック冷却方式は、トラップ深さを低下させることなく、光トラップからの高エネルギーの原子を除去する選択的な方法を提供します。これは、相密度を高め、非干渉フェルミガスを冷却するのに役立ちます。そのようなパラメトリック冷却は通常異方性であるので、それはまた、量子ガスの温度異方性を変更するための便利な方法を提供しますエス。

パラメトリック冷却を可能にするために、現在のプロトコルは、出発点として縮重温度に近いフェルミガスを必要とします。冷却効果はまた、ト...

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開示事項

著者らは開示するものは何もない。特定の製品および企業の引用は、明確化のみを目的としており、著者による推奨ではありません。

謝辞

実験のセットアップに関与してくださったJi LiuとWen Xuに感謝します。Le Luoは、インディアナ大学時空対称性センター(IUCSS)のメンバーです。この作業は、IUPUIとIUCRGの支援を受けました。

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材料

この記事で使用された材料の一覧
名前会社カタログ番号コメント
500 mW 671 nm ECDLTopticaTA Pro数量: 1
35 mW 671 nm ECDLTopticaDL-100数量: 1
671 nm AOMIsomet1206C数量: 3
671 nm AOM ドライバーIsomet630C-110数量: 3
100 W 1,064 nm CW レーザーIPG フォトニクスYLR-100-1064-LP数量: 1
1,064 nmAOMIntraActionATM-804DA6B 数量:1
1,064nm AOMドライバーIntraActionME-805EH 数量:1
任意関数ジェネレータAgilent 33120A数量:3
デジタルI/OボードUnited Electronic IndustriesPD2-DIO-128数量:1
システム設計プラットフォームNational InstrumentsLabVIEW数量:1
アナログ電圧出力デバイス測定コンピューティングUSB-3104数量:1
CCDカメラ浜松オルカR2数量:1
任意パルス発生器Quantum Composer9618+数量:1
電圧出力デバイス測定コンピューティングUSB-3104:1
20A電源数量:1
10A電源:1
120A電源:2
ファン数量:装置設計による
671nm ミラー数量:装置設計による
671nm 半波板数量:装置設計による
671nm 四次波板数量:装置設計による
500mW ビームシャッター数量:装置設計による
671nm レンズ数量:装置の設計によって異なります
ファラデーアイソレータ数量:2、ECDL
671 nmごとに1つ 偏光ビームスプリッター数量:装置の設計によって異なります
光検出器ThorlabsSM05PD1A数量:1
プレクサ アナログ・デバイセズADG409
マルチプレクサ1台 アナログ・デバイセズADG408数量:
1,064 nm 平凹レンズ2個 数量:ビーム・レデューサー用
1個 1,064 nm 平凸レンズ個数:ビーム・レデューサー用
1個 1,064 nm ミラー数量:装置設計による
1,064 nm 半波長板数量:装置設計による
1,064 nm レンズ数量:装置設計による
1,064 nm 薄膜偏光子数量:1
100 W、1,064 nm ビームダンプ数量:1
100 W、1,064 nm パワーメーター数量:1
RF Function GeneratorRigolDG4162数量:1
RF パワーアンプMini-CircuitsZHL-100W-GAN+数量:1
アナログ数量数量数量冷却マルチ

参考文献

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