Introduction
I de seneste to årtier har forskellige køleteknikker blevet udviklet til generering af Bose-Einstein kondensater (BEC) og degenerere Fermi gasser (DFG) fra varme atomare dampe 1, 2, 3, 4, 5. BEC og DFG er hidtil ukendte faser af stof, som findes i ekstremt lave temperaturer, sædvanligvis en milliontedel af en grad over det absolutte nul temperatur, langt under de, der normalt findes på Jorden eller i rummet. At opnå sådanne lave temperaturer, de fleste kølemetoder afhængige sænke opfangning potentiale til afdampning afkøle atomer. Men sænkningen ordningen mindsker også kollision hastigheden af atomerne, som begrænser kølevirkningsgraden når gassen når kvanteområdet 6. I denne artikel præsenterer vi en "udvise" metode til afdampning køle en ultrakold Fermi gas i et ODT udensænkning fælden dybde. Denne metode er baseret på vores seneste undersøgelse af parametrisk køling 7, som viser flere fordele i forhold til de sænke ordninger 7, 8, 9.
Hovedideen af parameterværdien ordning er at anvende den anharmonicity af en overstreget stråle ODT, hvilket gør de varmere atomer nær kanten af potentielle trapping føle de lavere fældefangst frekvenser end de koldere atomer i centrum. Denne anharmonicity tillader de varmere atomer selektivt udstødes fra fælden, når modulere indfangning potentiale ved frekvenser resonante med højenergi-atomer.
Forsøgsprotokollen af parametrisk køling kræver en forud afkølet noninteracting Fermi gas nær den degenererede temperatur. Til gennemførelse af denne protokol, er en akustisk-optisk modulator (AOM) anvendes til at modulere intensiteten af fældefangst bjælker efter controlling modulationsfrekvensen, dybde og tid. At verificere den kølende effekt, bliver den atomare sky probet ved absorption billeddannelse af time-of-flight (TOF), hvor en resonant laserstråle belyser atomsky og absorptionen skygge opfanges af en ladningskoblet indretning (CCD) kamera. Skyen egenskaber, såsom atom nummer, energi og temperatur, bestemmes af søjlen densitet. For at karakterisere den kølende effekt, vi måler afhængighed af skyen energi på de forskellige graduering gange.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
BEMÆRK: Denne protokol kræver en hjemmebygget ultrakold atom apparat indeholdende følgende udstyr: to eksterne hulrum diodelasere (ECDL), en låsende setup for ECDL offset frekvens låsning 10, en fiber laser til ODT, en AOM til laser intensitetsmodulation , en radiofrekvens (rf) antennesystem med en kilde generator og en effektforstærker, en absorption afbildningssystem med en CCD-kamera, et computerprogram til timing sekvens og dataopsamling (DAQ), et computerprogram til billeddannelse behandling og analyse af data, et par af elektromagneter til de MOT og partiskhed magnetfelter, og en ultrahøj vakuumkammer herunder en 6 Li damp ovn og en Zeeman langsommere (vist i figur 1).
Advarsel: Tre lasere med forskellige beføjelser og bølgelængder anvendes. Se venligst de relevante laser sikkerhedsdatablade og vælge de rigtige laser sikkerhedsbriller.
1. Timing Control
BEMÆRK: Alle timing sekvenser er styret af en 128 kanals PCI DAQ kort gennem en timing styreprogram. Løsningen af timingen sekvensen er 100 mikrosekunder. Adskillige instrumentering kontrolprogrammer anvendes til at styre indstillingerne af instrumenter, såsom fiberlaser vilkårlig funktionsgenerator (AFG), ODT AFG, vilkårlig impulsgenerator (APG), parametrisk modulation AFG, MOT multiplexer, rf generator osv.
- Åbn timingen styreprogrammet og programmerne for instrumenterne kontrol.
BEMÆRK: Timingen styreprogram sender TTL (Transistor-transistor logik) signaler til styreklemmerne for at køre de timing kontrol filer. Nogle instrumenter er forbundet til computeren via GPIB (IEEE 488) for real-time kontrol. - Skriv eksperimentet timing fil og indstille timingen procesparametre, som opført i tabel 1.
BEMÆRK: efter MOT timingsekvens fremgår også af figur 2. 2. CCD kameraet Klargøring - Tænd for CCD-kamera driver og dens kontrolprogram. Indstil CCD-kameraet til Partikel billede Velocimetri (PIV) mode 11. Indstil CCD eksponeringstid til 5 ms.
BEMÆRK: PIV funktion begrænser tidsrummet mellem signalet og referenceramme, hvilket øger signal-til-støj-forholdet for absorptionen billeddannelse. - Brug en ekstern trigger til at styre CCD eksponering
BEMÆRK: CCD Udløsertiden er anført i tabel 1. - MOT Laser Fremstilling
BEMÆRK: Det optiske setup og relevante resultater af DLCM metode præsenteres i reference 10.- Tænd for 6 Li atom-damp celle varmelegeme og varme det op til 340 ° C.
- Varme op laseren låsning AOM i 1 time.
- Tænd laseren frekvens lås controller og åbne dens software. Tænd for laseren rist og nuværende graduering af PC-kørekortet i softwaren.
BEMÆRK: frekvensmodulation og amplitude af gitteret modulation er sat til 5 Hz og 1,0 V.. Modulationsfrekvensen og amplituden af den nuværende graduering er sat til 100 kHz og 0,0015 V pp henholdsvis at reducere laser linewidth 10. - Tænd for ECDL emission.
BEMÆRK: Laserlyset passerer gennem MOT optisk opsætning og når eksperimentet vakuumkammer. - Ganske få ændringer af strøm for ECDL laser manuelt at tune laserfrekvensen indtil der observeres lock-in fejlsignal af 6 Li D2 linie, som vist i figur 3b.
- Indstille låsen punkt i styresoftware til 2 2 S 1/2 (F = 3/2) → 2 2 P 3/2 overgang (se figur 3a, 3b). Lås derefter laser frekvens til denne overgang, og justere låsen punkt til midten af overgangen 10.
BEMÆRK: Når laserfrekvensen er låst, lock-in fejlsignal viser en lille udsving på låsen punkt, der svarer til frekvensen udsving omkring lock point.
- Imaging Laser Fremstilling
BEMÆRK: Det optiske setup og relevante resultater af offset låsning metode er præsenteret i reference 10.- Tænd for offset låsning rf signal generator.
- Tænd for modulation af gitteret, og øge modulationsamplitude til 2 V.
- Gentag frekvens tuning proces i 3.1.4.-3.1.5. at få laserfrekvensen bankende fejlsignal i oscilloskop og rf-spektrum analysator.
- Lås laser frekvens til det bankende signalet af offset låsning gennem to PID feedback-moduler.
BEMÆRK: Når laserfrekvensen er låst, vil spektret af det slående signal i RF-spektret stoppe på låsepunktet.
- Tænd et APGog afbildningsstrålebanen AOM.
- Indstil billeddannende impulslængde til 10 mikrosekunder, og indstille adskillelsen tid mellem de to billeddannende rammer til 5,5 ms.
- Indstil afbildningsstrålebanen intensitet til ca. 0,3 jeg sad, hvor jeg sad = 2,54 mW / cm2 er den mættede absorptionen intensiteten af 6 Li D2 linje.
- Langsom Atom Kilde
- Tænd ovnen varmeapparater.
- Efter ovnens temperaturen nå det operationelle område (se tabel 2), tænde køleblæserne for Zeeman langsommere. Derefter langsomt øge strøm langsommere til 9,2 A. Tænd strøm af de to crossover spoler til 7 A og 1 A hhv.
BEMÆRK:Temperaturfordelingen i ovnen anført i tabel 2 er optimeret til kollimering og levetid atomare kilde 12. Placeringen af varmeapparater på ovnen er vist i figur 4. - Fjerne blokeringen af Zeeman langsommere laserstrålen manuelt ved at åbne det atomare lukkeren. Indstille frekvensen af laserstrålen til 192 MHz rød-drosles med 2 2 S 1/2 (F = 3/2) → 2 2P 3/2 overgang.
BEMÆRK: Med denne opsætning er hastigheden af atomerne aftaget fra 1.400 m / s til 100 m / s. Zeeman langsommere er vist i figur 5.
- Magnetfeltgradient
BEMÆRK: Dette apparat anvender et par af spoler styres af en H-bro omskifterkredsløb til fremstilling af enten et anti-Helmholtz eller Helmholtz magnetfelt. Spolerne er vandkølede for at undgå overophedning.- Drej langsomt på vandgennemstrømningen til 6 gal / min.
- Sæt H-bro for anti-Helmholtz magnetfelt konfiguration ved at køre timingen styreprogram med MOT lastning timing fil.
- Tænde magneternes strømforsyninger, og indstille den aktuelle af hver spole til ca. 18 A via dens styreprogram, som skaber et magnetfelt gradient på ca. 22 G / cm for MOT.
BEMÆRK: En statisk MOT observeres i eksperimentet kammer efter den magnetiske feltgradient er tændt.
- Dynamisk MOT
BEMÆRK: Det optiske opsætning af 6 Li MOT indeholder tre par tæller udbreder MOT bjælker med alle par ortogonale på hinanden. Hver MOT stråle indeholder en kølende stråle og en repumping stråle. Intensiteterne og frekvens detunings af bjælkerne, som styres af AOMs, varieres for de tre faser. De styrespændinger af AOMs indstilles via multiplekser kredsløb under kommando af en timing styresystem. Parametrene for tre faser er angivet i tabel 3. Den optiske låud af MOT bjælker er vist i figur 6.- Load, kompilere og køre eksperimentet timing fil i timingen styreprogram på en løkke med softwaren kontrol. Forsøget timing starter med MOT lastning fase. Overvåg MOT fluorescenssignalet i fotodetektoren at nå 2 V, hvilket indikerer omkring 10 9 atomer i MOT.
BEMÆRK: fluorescens MOT opsamles ved en linse med rumlig vinkel på ca. 10 -4 rad. Belastningsfasen atom nummer kan beregnes ved fremgangsmåden i referenceeksempel 13. - Bruge optisk lukker for at blokere den aftagende stråle før belastningsfasen ender.
BEMÆRK: Timingen af aftagende stråle lukkeren er også under kontrol af eksperimentet timing, som er anført i tabel 1. - Sæt intensiteter og frekvens detunings af MOT laserstråler ifølge tabel 3 for afkølingsfasen.
BEMÆRK: Når afkølingsfasen, temperaturen afMOT reduceres til ca. 300 μK. - For pumpning fase program eksperimentet timing fil for at slukke repumping bjælker med AOM.
BEMÆRK: pumpning fase pumper alle atomerne i de laveste hyperfinstruktur stater 2 2 S 1/2 (F = 1/2). - Slukke MOT bjælker og forskyde laserfrekvensen 30 MHz under den atomare overgang resonans af AOM, og blokere den utætte lys fra AOMs med optiske skodder.
BEMÆRK: Efter MOT fase vil enhver lækage af det resonante lys til atomsky medføre atom tab. Timingen af AOM kontrol og MOT stråle lukkeren er alle angivet i tabel 1. - Efter den dynamiske MOT, erhverve de billeddannende rammer fra kameraet. Få absorptionen billeddannelse af MOT.
BEMÆRK: atomnummer MOT er omkring 10 7 efter pumpefasen. En typisk absorption billede af MOT er vist i figur 7a.
- Load, kompilere og køre eksperimentet timing fil i timingen styreprogram på en løkke med softwaren kontrol. Forsøget timing starter med MOT lastning fase. Overvåg MOT fluorescenssignalet i fotodetektoren at nå 2 V, hvilket indikerer omkring 10 9 atomer i MOT.
- Optisk Dipol Trap
BEMÆRK: ODT er det vigtigste redskab til at generere ultrakold Fermi gasser. For at generere en dyb ODT, en fiberlaser med 100 W emissionseffekt ved 1064 nm bølgelængde anvendes. Opsætningen af ODT er vist i figur 8.- Tænd for vandstrømmen til afkøling laserstrålen lossepladser.
- Indstil ODT AOM styrespændingen til 1 V manuelt. Tænd fiberlaser med 13 W emissionseffekt.
- Kontroller ODT optik med en infrarød lys fremviser, og fjerne støv med argongas flow.
BEMÆRK: Støv på optikken kan ændre den rumlige profil ODT, og forårsage ustabilitet af ODT. - Kommando fiberlaseren AFG at generere en laserimpuls via AFG kontrolprogram.
BEMÆRK: Udgangen fra laserimpulsen udløses af eksperimentet timing og starttidspunktet for denne puls er sat til 14 ms, før enden af MOT loading fase. de pulse sekvens kontrol er vist i figur 1, og timingen er anført i tabel 1. - Manuelt indstille ODT AOM styrespændingen til 8 V (80% af den mættede rf-effekt).
BEMÆRK: Den maksimale rf-effekt af AOM fører bør begrænses til 80% af den mættede kompetence til at nedsætte den termiske linsevirkning. - Anskaf absorptionen billeder af MOT og ODT fra kameraet.
BEMÆRK: Kontroller overlapningen af MOT og ODT gennem deres absorption billeddannelse. Figur 7b viser typiske absorption billeder af MOT og ODT hhv.
- Bias magnetfelt og Spin Blanding rf Field
BEMÆRK: For at danne et interagerende Fermi gas, er en forspænding magnetfelt i lodret retning anvendes til at afstemme s -wave spredning længde.- Indstil H-broen i eksperimentet timing program, så at de magnetiske felt ændres fra anti-Helmholtz til Helmholtz.
BEMÆRK: HelmHoltz spoler genererer bias magnetfelt til tuning interatomar interaktion. - Indstille forspændingen magnetfelt til 330 G i kanal 2 og 527,3 G i kanal 3 i magneterne kontrolprogram.
- Programmere eksperimentet timing sekvens at feje magnetfeltet fra 0 G til 330 G efter MOT er slukket.
BEMÆRK: Denne magnetfelt sweep forbereder en svagt vekselvirkende 6 Li Fermi gas til standard fordampningskøling. - Programmere en magnetfelt feje fra 330 G til 527 G i en noninteracting Fermi gas 14.
BEMÆRK: magnetfelt sekvens fra 6.2.1-6.2.4. er vist i figur 1, og timingen er anført i tabel 1. - Anvende en støjende rf puls for at skabe en 50:50 blanding af de to laveste hyperfinstruktur stater 2 2 S 1/2 (F = 1/2, m F = ± 1/2) af 6. Li.
- Tune den låste laserfrekvensen resonant med atomerne på527,3 G (svarende til overgangen 2 2 S 1/2 (F = 1/2, m F = -1/2) → 2 2P 3/2 i den lave magnetfelt) ved at ændre udgangsfrekvensen af RF-signalet generator.
BEMÆRK: Resonansfrekvensen maksimerer atom antallet af absorptionen billeddannelse, som anvendes til at lede frekvensjusteringsmekanismen. Kun spin-down atomer afbildes at præsentere atomsky fordi 50:50 spin-blandingerne anvendt til forsøget.
- Indstil H-broen i eksperimentet timing program, så at de magnetiske felt ændres fra anti-Helmholtz til Helmholtz.
- Fordampningskøler ved Trap Sænkning
BEMÆRK: En standard fordampningskøling anvendes til at køle de fermioniske atomer af 6 Li nær den degenererede regime. Den første etape af fordampningskøling styres af pulsen af fiberen laseren og sekund styres ved ODT AOM. Nær-degenererede Fermi gas vil blive anvendt som prøven til parametrisk afkøling.- Start den første fase af Fordampningskøler Vidh styresoftwaren ved pulsering fiberen lasereffekt, hvilket øger fælde dybde ODT til U 0, derefter tilbage til 0,1 U 0 (U 0 er den fulde fælde dybde med lasereffekten på 100 W). Den samlede tid for denne fase er 0,5 s.
BEMÆRK: impulsvarighed svarende til U 0 bør begrænses til 0,5 s for at undgå den termiske linsevirkning. - Program ODT AOM med en eksponentiel kurve som vist i figur 1. Efter det første trin af fordampningskøling er færdig, vent 30 ms, og derefter starte det andet trin af fordampningskøling ved at sænke fælde dybde fra 0,1 U 0 til 0,01 U 0 gennem ODT AOM. Den samlede tid for denne fase er 1,5 s.
- Erhverve absorptionen billeddannelse af de kolde atomer efter fordampningskøling.
BEMÆRK: Ca. 10 5 atomer efterlades i ODT efter fordampningskøling, som kan beregnes ud fra denabsorption billede.
- Start den første fase af Fordampningskøler Vidh styresoftwaren ved pulsering fiberen lasereffekt, hvilket øger fælde dybde ODT til U 0, derefter tilbage til 0,1 U 0 (U 0 er den fulde fælde dybde med lasereffekten på 100 W). Den samlede tid for denne fase er 0,5 s.
- Trap Dybde Modulation
- Vent 100 ms efter den magnetiske feje til 527,3 G. Modulate fælden dybde med ODT AOM med U (t m) = 0.01 U 0 (1 + δ cos (ω m t m)), hvor δ er modulationsdybden og ω m er modulationsfrekvensen. Indstil graduering t m i den parametriske graduering AFG styreprogram. Det tidsmæssige forløb af gradueringen er vist i figur 1.
BEMÆRK: Dette er den afgørende skridt for at gennemføre parametrisk køling. - Programmere APG at frigive atomer fra ODT ved brat at slukke indfangningspladerne bjælker. Lad gassen ballistisk udvide til 300 mikrosekunder, før der ansøges absorption billeddannelse.
BEMÆRK: ballistiske ekspansion bruges med TOF absorption billedbehandling for at få den temperatur af de kolde atomer. - Erhverve absorptionen billede af kolde atomer efter parametrisk afkøling.
- Vent 100 ms efter den magnetiske feje til 527,3 G. Modulate fælden dybde med ODT AOM med U (t m) = 0.01 U 0 (1 + δ cos (ω m t m)), hvor δ er modulationsdybden og ω m er modulationsfrekvensen. Indstil graduering t m i den parametriske graduering AFG styreprogram. Det tidsmæssige forløb af gradueringen er vist i figur 1.
- Time Afhængighed Måling
BEMÆRK: I vores tidligere arbejde 7, vi fandt det optimerede frekvens af den parametriske afkøling for at være 1,45 ω x, hvor ω x er den radiale trapping hyppigheden af ODT ved 0,01 U 0. Under anvendelse af denne frekvens, kan vi selektivt at fjerne højenergi-atomer langs den aksiale retning.- Indstil modulationsdybden at A = 0,5 via den parametriske modulation AFG kontrolprogram.
- Brug den eksterne trigger kontrolfunktion af parameterværdien graduering AFG at ændre moduleringstiden fra 0 til 600 ms ved at variere graduering cyklus numre.
BEMÆRK: Med den stigende graduering tid, vil størrelsen af det atomare sky reduceres, især den aksiale retning. De relevante resultater er vist i figur 9. Anskaf de billeddannende rammer fra kameraet. Gem og analysere billederne igennem CCD kontrolprogram.
BEMÆRK: CCD-kamera anvendes til at registrere absorptionen billeddannelse af de kolde atomer, som er det vigtigste diagnostiske redskab kolde atomer.
3. 671 nm Laser Fremstilling
BEMÆRK: En 671 nm enkelt frekvens ECDL med 500 mW udgangseffekt anvendes til at generere MOT køling og fældefangst bjælker. En anden 671 nm ECDL på 35 mW anvendes til absorption billeddannelse. En digital laser aktuelle modulationsmetode (DLCM)anvendes til stabilisering laserfrekvensen 10. De beslægtede 6 Li energiniveauer er vist i figur 3a. Stuetemperatur stabilitet på 20 ± 1 ° C er nødvendig for optimal stabilitet af laserfrekvensen låsning.
4. Absorption Imaging Fremstilling
BEMÆRK: Atomerne probes med absorption billeddannelse, som kræver to billedrammer. Den første med atomerne er signalrammen, og den anden uden atomer er referencerammen.
5. Køling Atomer med MOT
BEMÆRK: MOT er et udbredt kølemetode i ultrakolde atomer eksperimenter. Dette afsnit genererer en MOT på omkring en milliard 6 Li-atomer ved ca. 300 μK.
7. Parametric Køling
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Under anvendelse af denne protokol, studerer vi afhængigheden af den parametriske afkøling på moduleringstiden med den optimerede modulation frekvens og amplitude, som begge er blevet bestemt i vores tidligere publikation 7. Vi først fremstille en noninteracting Fermi gas af 6 Li atomer i de to laveste hyperfinstruktur tilstande med en temperatur på T / T F ≈ 1.2. Her, T F = (6N) 1/3 Ħ ω / k B = 5,2 μK bestemmes med atomnummer N = 1,7 × 10 5 pr spin og det geometriske gennemsnit trapping frekvens ω = (ω x ω y ω z) 1 / 3 = 2π × (2250 × 2450 × 220) 1/3 Hz, H er den reducerede Plancks konstant, og k B er Boltzmanns konstant. Tiden-afhængige resultater er vist i figur 9 med modulationsfrekvens af 1.45ω x, og modulationsdybde på 0,5. De TOF absorption billeder af de atomare skyer (figur 9a) viser en signifikant reduktion af den aksiale sky størrelse med forøgelsen af moduleringstiden, hvilket indikerer den absolutte temperatur reduceres kontinuerligt ved parametrisk afkøling.
Til kvantitativ beskriver kølevirkningen, bruger vi E (x, z) / E F som en effektiv termometri for ultrakold Fermi gasser 7, hvor E F er Fermi energi og E (x, z) er de atomare cloud energier i den radiale og aksiale retninger henholdsvis. Vi først udtrække antal uafhængige middelkvadratafstanden størrelse (NIMS) fra atommassen sky. Derefter fra NIMS, beregner vi E (x, z) / E F i figur 9b. Efter ca. 500 ms modulation, er E z / E F reduceres betydeligt 1,80-0,90 og E x / E F er en let øget en smule fra 1,20 med 1,25. De faldende atomnummer i figur 9b inset indikerer atomer udstødes ud af fælden. Vi finder, at parametrisk afkøling ændrer atomsky energi i en anisotrop måde, hvor energien i den aksiale retning er under Fermi energi, mens den radiale ene er stadig over Fermi energi. Det bemærkes, at de første ulige energier i aksial og radial retning (figur 9b) frembringes af den hurtige fælde sænkning anvendt i afsnit 6.3. Efter den parametriske afkøling aksial retning energi reduceres betydeligt, mens den radiale energi ikke ændret. Dette resultat indikerer den måde, at parametrisk køling ændrer skyen energi er anisotropisk. Denne anisotropisk virkning skyldes den kendsgerning, atdominerende anharmonicity af en overstreget stråle ODT er langs den aksiale retning 7. Sådanne termodynamisk anisotrope prøver kan anvendes til at studere thermalization processer i et interagerende mangelegemefysik kvantesystemet.
Figur 1: Ultra vakuumsystem. Kammeret vakuum af ultrakold atom apparatet ved IUPUI. 1. ovn, 2. Zeeman langsommere, 3. magnetspoler, 4. eksperiment kammer og 5. CCD-kamera. Klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 2: Timing sekvens for parametriske afkøling. Den sorte kurve er fiberen lasereffekten timing. Den røde kurve er en of ODT AOM timing. Cyan kurve repræsenterer magnetfeltet. Den orange kurve er de TOF billeddannende impulser. Den vandrette akse viser tidsskalaen for hvert trin. Klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 3: Atomic niveauer af 6 Li og laserfrekvensen låsning spektre. a) 6 Li D2 overgang for køle- og repumping stråler af MOT. b) Den gule kurve er Doppler-fri mættet absorptionsspektre af 6. Li D2 linje, og den røde kurve er den tilknyttede lock-in fejlsignal. Den venstre top er 2 2 S 1/2 (F = 3/2) → 2 2 P 3/2 overgang, den rigtige er den 22 S 1/2 (F = 1/2) → 2 2 P 3/2 overgang, og den midterste er crossover signal af de to overgange. Instrumentbrættet Korset er låsen punkt. Klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 4: 6 Li ovn. Hvert markeret afsnit indeholder et temperaturreguleret varmespiral ovnen til udlæsning af de atomare flux. Klik her for at se en større version af dette tal.
Figu re 5: Zeeman langsommere. Crossover spolen er den sidste del af Zeeman langsommere. Klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 6: MOT optisk layout. Den optiske setup for generation af MOT og aftagende laserstråler. Klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 7: MOT og ODT absorption billeder. a) MOT billede efter pumpning fase. b) Billedet af den overlappede MOT og ODT._upload / 55.409 / 55409fig7large.jpg" target = '_ blank'> Klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 8: Crossed-Beam ODT optisk layout. Passage vinkel ODT er 2θ = 12 °. Fiberlaseren AFG styrer pulsering af laseren, ODT AFG styrer fælde sænke kurven, og den parametriske modulation AFG styrer laseren intensitetsmodulation. Strålen taljen af begge stråler er omkring 37 um. Polariseringen af den første bjælke er lodret og polariseringen af den anden stråle er vandret. Klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 9: Tidafhængighed måling af parametrisk afkøling. a) absorption billeder af de atomare skyer af forskellige modulation gange. b) Afhængigheden af E (x, z) / E F på graduering tid (blå cirkler er for E z / E F og de røde firkanter er for E x / E F). Det indsatte tal er atomnummeret versus graduering tid. Fejlsøjlerne repræsenterer en standardafvigelse. Klik her for at se en større version af dette tal.
| MOT belastning på | startpunkt |
| MOT loading tid | 10 s |
| MOT afkøling på | MOT lastning off |
| MOT køletid | 5 ms |
| MOT pumpning på | MOT afkøling |
| MOT pumpetid | 100 mikrosekunder |
| MOT AOM off | MOT off (Det samme som MOT pumpning fra) |
| Zeeman langsommere stråle lukkeren på | 200 ms før MOT loading off |
| MOT stråle shutter på | MOT off |
| Fiberlaser fordampningsemissioner køling starttidspunkt | 14 ms før udgangen af MOT loading |
| ODT fordampningskøling starttidspunkt | 500 ms efter MOT off |
| H-bro switch tid | MOT off |
| Magnetfelt sweep starttidspunktet (fra 0 til 330 g) | MOT off |
| Magnetfelt feje starttidspunktet (fra 330 til 527.3G) | 2.000 ms efter MOT off |
| Parametrisk køling starttidspunkt | 2.500 ms efter MOT off |
| Billeddannelse puls triggertiden | 3.200 ms efter MOT off |
| CCD triggertiden | 100 mikrosekunder før billeddannelse puls triggertiden |
Tabel 1: Eksperimentel tidsstyring. Timing sekvensparametre at styre eksperimentelle instrumenter. Tidssekvensen starter ved MOT lastning, køling og pumpning. MOT off er den tid punkt efter MOT pumpning.
| Kanal 1 | Kanal 2 | Kanal 3 | Channel 4 | Kanal 5 |
| 348 ° C | 354 ° C | 434 ° C | 399 ° C | 372 ° C |
Tabel 2: Oven temperaturprofil. 6 Li ovn fungerer ved optimal flux med de anførte temperaturer.
| Fase | Indlæser | Køling | pumpning | |||
| Bjælke | Køling | Repumping | Køling | Repumping | Køling | Repumping |
| Detuning fra låst overgang (MHz) | -28 | -28 | -5 | -5 | -2 | AF |
| Intensitet (jeg sad) | 2 | 1 | 0,1 | 0,05 | 0,08 | AF |
Tabel 3: MOT faser egenskaber. MOT faserækkefølgen er designet til at maksimere the antal atomer, der skal overføres til ODT.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Vi præsenterer en eksperimentel protokol for parametrisk køling af en noninteracting Fermi gas i en krydset-beam optisk fælde. De kritiske trin i denne protokol omfatter: Først skal køles tæt på degenererede temperatur ved at sænke fælden dybde det optisk fanget Fermi gas. For det andet er en modulationsfrekvens valgt som er resonant med den ikke-harmonisk komponent af indfangning potentiale. For det tredje er intensiteten af trapping stråle moduleres at afkøle atomsky og måle afhængighed af skyen energi på moduleringstiden.
Sammenlignet med fælden-sænkende ordning, den parametriske afkøling ordning giver en selektiv måde at fjerne højenergi atomer fra den optiske fælde uden at sænke fælden dybde. Det bidrager til at øge fase tæthed og køle en noninteracting Fermi gas. Fordi en sådan parametrisk afkøling er sædvanligvis anisotropisk, det giver også en hensigtsmæssig fremgangsmåde til at modificere temperaturen anisotropi i quantum gases.
At muliggøre parametrisk afkøling, den nuværende protokol kræver en Fermi gas nær den degenererede temperatur som udgangspunkt. Den kølende effekt er også begrænset til den aksiale retning af den potentielle trapping. Disse to begrænsninger er forårsaget af den endelige anharmonicity af en overstreget stråle ODT der er foretaget af Gaussiske laserstråler i den nuværende protokol. At udvide denne fremgangsmåde til forskellige atomare arter og anvende det til større temperaturområde, vi nødt til at øge anharmonicity af indfangning potentiale.
Vi foreslår to forbedringer for denne køleteknik. For det første kan parametrisk afkøling implementeres med en indfangning potentiale med stor anharmonicity i alle tre retninger, såsom box fælder 15 eller effekt law fælder 16, der har potentiale til direkte at afkøle de indfangede atomer fra den termiske tilstand til den degenererede regime uden trænger sænke den optiske fælde vedalle. For det andet, ved jævnligt at ryste den optiske potentiale fældefangst gennem en AOM 17, kan vi syntetisere den optiske fælde med stor anharmonicity hjælp af Floquet metode 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).
