Name: 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 (動画) | JoVE Journal
Uploaded: 2017-03-30T14:00:00.000+00:00
Duration: 11 min 21 s
Description: 学ぼう、パラメトリック駆動法を用いて光学的閉じ込められた超低温フェルミガスをマイクロケルビン領域まで冷却する手法。高エネルギー原子を選択的に除去し、量子現象のシミュレーションに応用可能な効率的な冷却技術です。

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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。

<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>

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。

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...

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。

<table><tbody><tr><td>500 mW 671 nm ECDL</td><td>Toptica</td><td>TA Pro</td><td>数量: 1</td></tr><tr><td>35 mW 671 nm ECDL</td><td>Toptica</td><td>DL-100</td><td>数量: 1</td></tr><tr><td>671 nm AOM</td><td>Isomet</td><td>1206C</td><td>数量: 3</td></tr><tr><td>671 nm AOM ドライバー</td><td>Isomet</td><td>630C-110</td><td>数量: 3</td></tr><tr><td>100 W 1,064 nm CW レーザー</td><td>IPG フォトニクス</td><td>YLR-100-1064-LP</td><td>数量: 1</td></tr><tr><td>1,064 nmAOM</td><td>IntraAction</td><td>ATM-804DA6B&nbsp;</td><td>数量:1</td></tr><tr><td>1,064nm AOMドライバー</td><td>IntraAction</td><td>ME-805EH&nbsp;</td><td>数量:1</td></tr><tr><td>任意関数ジェネレータ</td><td>Agilent&nbsp;</td><td>33120A</td><td>数量:3</td></tr><tr><td>デジタルI/Oボード</td><td>United Electronic Industries</td><td>PD2-DIO-128</td><td>数量:1</td></tr><tr><td>システム設計プラットフォーム</td><td>National Instruments</td><td>LabVIEW</td><td>数量:1</td></tr><tr><td>アナログ電圧出力デバイス</td><td>測定コンピューティング</td><td>USB-3104</td><td>数量:1</td></tr><tr><td>CCDカメラ</td><td>浜松</td><td>オルカR2</td><td>数量:1</td></tr><tr><td>任意パルス発生器</td><td>Quantum Composer</td><td>9618+</td><td>数量:1</td></tr>アナログ<tr><td>電圧出力デバイス</td><td>測定コンピューティング</td><td>USB-3104</td>数量<td>:1</td></tr><tr><td>20A電源</td><td></td><td></td><td>数量:1</td></tr><tr><td>10A電源</td><td></td><td></td>数量<td>:1</td></tr><tr><td>120A電源</td><td></td><td></td>数量<td>:2</td></tr>冷却<tr><td>ファン</td><td></td><td></td><td>数量:装置設計による</td></tr><tr><td>671nm ミラー</td><td></td><td></td><td>数量:装置設計による</td></tr><tr><td>671nm 半波板</td><td></td><td></td><td>数量:装置設計による</td></tr><tr><td>671nm 四次波板</td><td></td><td></td><td>数量:装置設計による</td></tr><tr><td>500mW ビームシャッター</td><td></td><td></td><td>数量:装置設計による</td></tr><tr><td>671nm レンズ</td><td></td><td></td><td>数量:装置の設計によって異なります</td></tr><tr><td>ファラデーアイソレータ</td><td></td><td></td><td>数量:2、ECDL</td></tr><tr><td>671 nmごとに1つ 偏光ビームスプリッター</td><td></td><td></td><td>数量:装置の設計によって異なります</td></tr><tr><td>光検出器</td><td>Thorlabs</td><td>SM05PD1A</td><td>数量:1</td></tr>マルチ<tr><td>プレクサ&nbsp;</td><td>アナログ・デバイセズ</td><td>ADG409</td><td></td></tr><tr><td>マルチプレクサ1台&nbsp;</td><td>アナログ・デバイセズ</td><td>ADG408</td><td>数量:</td></tr><tr><td>1,064 nm 平凹レンズ</td><td></td><td></td><td>2個 数量:ビーム・レデューサー用</td></tr><tr><td>1個 1,064 nm 平凸レンズ</td><td></td><td></td><td>個数:ビーム・レデューサー用</td></tr><tr><td>1個 1,064 nm ミラー</td><td></td><td></td><td>数量:装置設計による</td></tr><tr><td>1,064 nm 半波長板</td><td></td><td></td><td>数量:装置設計による</td></tr><tr><td>1,064 nm レンズ</td><td></td><td></td><td>数量:装置設計による</td></tr><tr><td>1,064 nm 薄膜偏光子</td><td></td><td></td><td>数量:1</td></tr><tr><td>100 W、1,064 nm ビームダンプ</td><td></td><td></td><td>数量:1</td></tr><tr><td>100 W、1,064 nm パワーメーター</td><td></td><td></td><td>数量:1</td></tr><tr><td>RF Function Generator</td><td>Rigol</td><td>DG4162</td><td>数量:1</td></tr><tr><td>RF パワーアンプ</td><td>Mini-Circuits</td><td>ZHL-100W-GAN+</td><td>数量:1</td></tr></tbody></table>

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

Cooling an Optically Trapped Ultracold Fermi Gas by Periodical Driving

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。

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/...

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。

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 ...

本手順の全体的な目的は、トラップ用レーザービームの強度を周期的に変調させることにより、光学的にトラップされた極低温フェルミガスをマイクロケルビン領域まで冷却することです。この冷却手法は、自然界における新星現象のシミュレーションに向けた、より低温の量子ガスの生成など、極低温原子研究における重要な課題に対処できます。パラメトリック冷却の主な利点は、光学的な手法で極低温フェルミガスを冷却でき、非常に高い冷却効率で一部の原子を冷却できることです。この複雑な手順は、当研究室のポストドクターであるJiaming Liによって実施されます。本実験のための装置はすでに設置されています。オーブンをはじめとするいくつかの主要構成要素があります。オーブンからは、必要とされるフラックスでlithium-6が出力されます。オーブンを出たリチウムは、ゼーマン遅延器とクロスオーバーコイルを通過します。そこから、原子は実験チャンバーに到達します。チャンバーは、ヘルムホルツまたは反ヘルムホルツ磁場を発生させるコイルの間に配置されています。フォトダイオードがチャンバーウィンドウを通して蛍光信号をモニタリングします。また、冷却およびポンピング段階において、赤外カットフィルターを通して原子雲を撮像するためのCCDカメラも備わっています。チャンバーの周囲には、原子を冷却するための磁気光学トラップおよび光双極子トラップ用のレーザーと光学素子が配置されています。実験の多くは、制御ソフトウェアに入力されたタイミングファイルによってコンピュータ制御されます。まず、原子を磁気光学トラップ（MOT）で冷却および捕捉します。トラップ用レーザーには、出力 500 milliwatts の 671 nanometer 単一周波数外部共振器ダイオードレーザーを使用します。この概略図に、関連する光学素子の概要を示します。減速ビームは紫色で示されています。磁気光学トラップ（Magneto-optical Trap）用のビームにラベルが付いています。吸収イメージングには、もう一台の35ミリワットの671ナノメートル外部共振器ダイオードレーザーを使用します。MOTレーザーの周波数はデジタルレーザー電流変調法で安定化させ、イメージングレーザーはオフセットロック法によってMOTレーザーに周波数ロックさせます。次に、原子蒸気セル内のレーザーロック用音響光学変調器を準備します。次に、周波数ロックコントローラーの電源を入れ、そのソフトウェアを起動します。レーザーグレーディングスキャニングをオンにします。外部共振器ダイオードレーザーの変調を開始するには、modulationの下にあるonボタンをクリックします。次にレーザーへ移動し、外部共振器レーザーの発振を開始させます。レーザーへの電流を微調整して周波数をチューニングしてください。ここで

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