Introduction
Au cours des deux dernières décennies, diverses techniques de refroidissement ont été développés pour produire des produits de condensation de Bose-Einstein (BEC) et dégénéré gaz de Fermi (DFG) des vapeurs atomiques chauds 1, 2, 3, 4, 5. BEC et DFG sont nouvelles phases de la matière qui existent dans des températures extrêmement basses, généralement un millionième de degré au-dessus du zéro absolu, température bien au-dessous de celles habituellement trouvées sur Terre ou dans l'espace. Pour obtenir de telles températures basses, la plupart des méthodes de refroidissement reposent sur la réduction du potentiel de piégeage pour refroidir les atomes évaporatif. Toutefois, le régime d' abaissement diminue également le taux de collision des atomes, ce qui limite l'efficacité du refroidissement lorsque le gaz atteint le régime quantique 6. Dans cet article, nous présentons une méthode « expulsion » pour refroidir un gaz de Fermi évaporatif ultrafroids dans un ODT sansl'abaissement de la profondeur du piège. Cette méthode est basée sur notre récente étude de refroidissement paramétrique 7, montrant plusieurs avantages par rapport aux schémas 7, 8 abaissement, 9.
L'idée principale du régime paramétrique est d'employer le anharmonicité du ODT-faisceaux croisés, ce qui rend les atomes les plus chauds à proximité du bord du potentiel de piégeage sentent les fréquences de piégeage plus faibles que les atomes froids dans le centre. Cette anharmonicité permet aux atomes chauds pour être sélectivement expulsés du piège lors de la modulation du potentiel de piégeage aux fréquences de résonance avec les atomes de haute énergie.
Le protocole expérimental de refroidissement paramétrique nécessite un gaz de Fermi pré-refroidie sans interaction proche de la température dégénérée. Pour mettre en oeuvre ce protocole, un modulateur acoustico-optique (AOM) est utilisé pour moduler l'intensité des faisceaux de piégeage par controlling la fréquence de modulation, de la profondeur et du temps. Pour vérifier l'effet de refroidissement, le nuage atomique est sondé par imagerie par absorption de temps de vol (TOF), où un faisceau laser résonnant éclaire le nuage atomique et l'ombre d'absorption est capturée par une caméra à dispositif à couplage de charge (CCD). Les propriétés des nuages, tels que le nombre d'atomes, d'énergie, et la température, sont déterminées par la densité de la colonne. Pour caractériser l'effet de refroidissement, on mesure la dépendance des énergies de nuages sur les différents temps de modulation.
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Protocol
NOTE: Ce protocole nécessite un appareil d'atomes ultrafroids intégré à la maison comprenant les équipements suivants: deux diodes lasers à cavité externe (PCIE), une installation de verrouillage pour le verrouillage de décalage de fréquence PCIE 10, un laser à fibre pour l'ODT, un AOM pour la modulation de l' intensité du laser , un système d'antenne de radiofréquence (RF) avec un générateur de source et un amplificateur de puissance, un système d'imagerie par absorption avec une caméra CCD, un programme d'ordinateur pour la séquence de synchronisation et d'acquisition de données (DAQ), un programme informatique pour le traitement d'imagerie et d'analyse de données, une paire d'électro - aimants pour les champs magnétiques MOT et polarisation, et une chambre à vide ultra élevé comprenant un four à vapeur 6 Li et un Zeeman plus lent (représenté sur la figure 1).
Attention: Trois lasers de différentes puissances et longueurs d'onde sont utilisées. S'il vous plaît consulter les fiches techniques pertinentes de sécurité laser et choisir les lunettes de sécurité appropriées au laser.
1. Calendrier ContROL
NOTE: Toutes les séquences de synchronisation sont contrôlées par une carte PCI DAQ 128 canaux grâce à un programme de contrôle de synchronisation. La résolution de la séquence de synchronisation est de 100 us. Plusieurs programmes de contrôle d'instrumentation sont utilisés pour commander les réglages des instruments, tels que générateur de fonction arbitraire de lasers à fibres (AFG), ODT AFG, générateur d'impulsions arbitraire (APG), modulation paramétrique AFG, multiplexeur MOT, générateur RF, etc.
- Ouvrez le programme de contrôle de synchronisation et les programmes de contrôle pour les instruments.
NOTE: Le programme de commande de synchronisation envoie des signaux TTL (transistor logic-transistor) aux bornes de commande pour exécuter les fichiers de contrôle de synchronisation. Certains instruments sont connectés à l'ordinateur par GPIB (IEEE 488) pour le contrôle en temps réel. - Ecrire le fichier de synchronisation d'expérience et définir les paramètres de synchronisation comme indiqué dans le tableau 1.
REMARQUE: La séquence de synchronisation après MOT est également illustrée par la figure 2. 2. Préparation caméra CCD - Allumez le pilote de la caméra CCD et son programme de contrôle. Réglez l'appareil photo CCD en mode image particules vélocimétrie (PIV) 11. Réglez le temps d'exposition CCD à 5 ms.
NOTE: Le mode PIV réduit l'écart de temps entre la trame de signal et de référence, ce qui augmente le rapport signal sur bruit de l'imagerie par absorption. - Utiliser un déclencheur externe pour contrôler l'exposition du capteur CCD
REMARQUE: Le temps de déclenchement CCD est indiqué dans le tableau 1. - MOT laser Préparation
REMARQUE: La configuration optique et des résultats pertinents de la méthode DLCM est présentée dans la référence 10.- Allumer le 6 Li dispositif de chauffage de pile à vapeur atomique et chauffer à 340 ° C.
- Chauffer le laser à blocage AOM pendant 1 h.
- Allumez le contrôleur de verrouillage de fréquence laser et ouvrir son logiciel. Allumez la modulation réseau et courant laser du ECDL dans le logiciel.
REMARQUE: La fréquence de modulation et une amplitude de la modulation de réseau sont mis à 5 Hz et 1,0 V respectivement. La fréquence de modulation et l' amplitude de la modulation de courant sont réglées sur 100 kHz et 0,0015 V pp , respectivement , pour réduire la largeur de raie du laser 10. - Allumez l'émission ECDL.
REMARQUE: La lumière laser passe à travers la configuration optique de la MOT et atteint la chambre à vide de l'expérience. - Ajuster légèrement le courant du laser PCIE manuellement pour régler la fréquence du laser jusqu'à ce que le signal d'erreur de verrouillage dans la ligne de 6 Li D 2 est observée, comme le montre la figure 3b.
- Définir le point de verrouillage dans le logiciel de commande à la 2 2 S 1/2 (F = 3/2) P → 2 2 3/2 transition (voir les figures 3a, 3b). Puis verrouiller la fréquence du laser à cette transition, et régler le point de verrouillage pour le centre de la transition 10.
NOTE: Une fois que la fréquence du laser est bloqué, le signal d'erreur de verrouillage en montre une petite fluctuation au niveau du point de verrouillage correspondant à la fluctuation de fréquence autour du point de verrouillage.
- Imagerie laser Préparation
REMARQUE: La configuration optique et des résultats pertinents de la méthode de verrouillage de décalage sont présentés dans la référence 10.- Allumer le générateur de signal RF de blocage de décalage.
- Allumer la modulation de la grille, et d'augmenter l'amplitude de modulation à 2 V.
- Répéter le processus de réglage de fréquence dans 3.1.4.-3.1.5. pour obtenir la fréquence du laser signal d'erreur de battement dans l'oscilloscope et l'analyseur de spectre RF.
- Verrouiller la fréquence du laser au signal de battement de blocage de décalage par l'intermédiaire de deux modules de rétroaction PID.
NOTE: Une fois que la fréquence du laser est verrouillé, le spectre du signal de battement dans le spectre RF arrête au niveau du point de verrouillage.
- Activer un APGet le faisceau de formation d'image AOM.
- Régler la durée d'impulsion d'imagerie à 10 us, et régler le temps de séparation entre les deux trames d'imagerie à 5,5 ms.
- Réglez l'intensité du faisceau de formation d'image à environ 0,3 I sat, où I sat = 2,54 mW / cm 2 est l'intensité d'absorption saturé de 6 Li ligne D 2.
- Source lente Atom
- Allumez les éléments chauffants du four.
- Après que les températures du four atteignent la zone de travail (voir le tableau 2), mettre en marche le ventilateur de refroidissement pour le ralentissement de Zeeman. Puis augmentez lentement le courant du plus lent à 9,2 A. Allumez le courant des deux bobines de croisement à 7 A et 1 A respectivement.
REMARQUE:La répartition de la température du four énumérées dans le tableau 2 est optimisée pour la collimation et durée de vie de la source atomique 12. L'emplacement des éléments chauffants du four est illustré à la figure 4. - Débloquer le faisceau laser Zeeman lent manuellement en ouvrant l'obturateur atomique. Régler la fréquence du faisceau laser à 192 MHz rouge désaccordé avec le 2 2 S 1/2 (F = 3/2) P → 2 2 3/2 transition.
NOTE: Avec cette configuration, la vitesse des atomes est ralentie de 1 400 m / s à 100 m / s. Le Zeeman plus lente est représentée sur la Figure 5.
- Gradient de champ magnétique
REMARQUE: Cet appareil utilise une paire de bobines commandées par un circuit de commutation à pont en H pour produire soit un champ magnétique anti-Helmholtz ou Helmholtz. Les bobines sont refroidis à l'eau pour éviter la surchauffe.- tourner lentement sur le débit d'eau à 6 gal / min.
- Régler le pont en H pour la configuration du champ magnétique anti-Helmholtz en exécutant le programme de commande de synchronisation avec le fichier de synchronisation de chargement de MOT.
- Activer les de blocs d'alimentation des aimants, et régler le courant de chaque bobine à environ 18 A par l'intermédiaire de son programme de contrôle, ce qui crée un gradient de champ magnétique d'environ 22 g / cm pour le MOT.
REMARQUE: Un MOT statique est observée dans la chambre d'essai après que le gradient de champ magnétique est activé.
- MOT dynamique
REMARQUE: La configuration optique du 6 Li MOT contient trois paires de faisceaux se propageant à l' encontre de la MOT avec toutes les paires orthogonales les unes aux autres. Chaque faisceau MOT comprend un faisceau de refroidissement et un faisceau de repompage. Les intensités et les désaccords de fréquence des faisceaux, qui sont commandés par des AOM, sont variées pour les trois phases. Les tensions de commande des modulateurs AOM sont réglés par l'intermédiaire de circuits multiplexeurs commandés par un système de commande de synchronisation. Les paramètres de trois phases sont énumérées dans le tableau 3. Le lay optiquesur les faisceaux MOT est représenté sur la figure 6.- Charger, compiler et exécuter le fichier de synchronisation d'expérience dans le programme de commande de synchronisation sur une boucle avec le contrôle du logiciel. Le moment de l'expérience commence par la phase de chargement du MOT. Surveiller le signal de fluorescence de la MOT dans le photodétecteur pour atteindre 2 V, ce qui indique l' ordre de 10 9 atomes de carbone dans la MOT.
REMARQUE: La fluorescence de la MOT est recueillie par une lentille avec un angle spatial d'environ 10 -4 rad. Le nombre d'atomes de phase de charge peut être calculée par la méthode de référence 13. - Utiliser l'obturateur optique pour bloquer le faisceau de ralentissement avant la phase de chargement se termine.
NOTE: Le moment de l'obturateur du faisceau ralentissement est également sous le contrôle du temps d'expérience, qui figure dans le tableau 1. - Définir des intensités et des désaccords de fréquence des faisceaux laser de CT selon le tableau 3 pour la phase de refroidissement.
NOTE: Après la phase de refroidissement, la température duMOT est réduite à environ 300 μK. - Pour la phase de pompage, le fichier programme de synchronisation expérience pour désactiver les faisceaux repompage avec l'AOM.
REMARQUE: Les pompes phase de pompage tous les atomes dans les états les plus bas hyperfins 2 2 S 1/2 (F = 1/2). - Désactiver les faisceaux MOT et décaler la fréquence laser 30 MHz en dessous de la résonance de transition atomique par AOM, et bloquer la lumière qui fuit à partir des AOM avec des obturateurs optiques.
REMARQUE: Après l'étape de MOT, toute fuite de la lumière de résonance dans le nuage atomique se traduira par une perte d'atomes. Le moment de la commande de tous les AOM et l' obturateur de faisceau MOT sont répertoriés dans le tableau 1. - Après la MOT dynamique, acquérir les cadres d'imagerie de la caméra. Obtenez le image d'absorption du MOT.
NB: le numéro atomique de la MOT est d' environ 10 7 après la phase de pompage. Une image d'absorption typique de la MOT est représenté sur la figure 7a.
- Charger, compiler et exécuter le fichier de synchronisation d'expérience dans le programme de commande de synchronisation sur une boucle avec le contrôle du logiciel. Le moment de l'expérience commence par la phase de chargement du MOT. Surveiller le signal de fluorescence de la MOT dans le photodétecteur pour atteindre 2 V, ce qui indique l' ordre de 10 9 atomes de carbone dans la MOT.
- Piège dipolaire optique
REMARQUE: ODT est l'outil principal pour générer des gaz ultrafroids Fermi. Afin de générer un ODT profond, un laser à fibre à puissance d'émission de 100 W à 1064 nm de longueur d'onde est utilisée. La configuration de ODT est illustré à la figure 8.- Mettre en marche l'écoulement d'eau pour refroidir les décharges de faisceau laser.
- Régler la tension de commande ODT AOM à 1 V manuellement. Allumer le laser à fibre optique avec une puissance d'émission de 13 W.
- Vérifier l'optique ODT avec une visionneuse de lumière infrarouge, et d'éliminer la poussière avec un écoulement de gaz d'argon.
REMARQUE: La poussière sur l'optique peut changer le profil spatial de l'ODT, et provoquer l'instabilité de l'ODT. - Commander l'AFG laser à fibre optique pour générer une impulsion laser par l'intermédiaire du programme de commande AFG.
REMARQUE: La sortie de l'impulsion laser est déclenché par le moment de l'expérience, et l'heure de début de cette impulsion est réglé à 14 ms avant la fin de la phase de chargement de MOT. les Pulse contrôle de la séquence est représentée sur la Figure 1, et le temps est listé dans le tableau 1. - régler manuellement la tension de commande ODT AOM à 8 V (80% de la puissance RF saturée).
NOTE: La puissance maximale à haute fréquence du pilote AOM devrait être limitée à 80% de la puissance saturée pour réduire l'effet de lentille thermique. - Acquérir les images d'absorption du MOT et ODT de la caméra.
REMARQUE: Vérifiez le chevauchement de la MOT et ODT par leur imagerie d'absorption. La figure 7b montre des images typiques d'absorption de la MOT et ODT, respectivement.
- Bias de champ magnétique et Spin mélange champ RF
Remarque: Afin de générer un gaz de Fermi en interaction, d' un champ magnétique de polarisation dans la direction verticale est appliquée pour régler la s onde W de longueur de diffusion.- Régler le pont en H dans le programme de synchronisation d'essai de sorte que les changements magnétiques de configuration de champ à partir de l'anti-Helmholtz à Helmholtz.
REMARQUE: La barrebobines Holtz génèrent le champ magnétique de polarisation pour régler l'interaction interatomique. - Réglez le champ magnétique de polarisation à 330 G dans le canal 2 et 527,3 G dans le canal 3 du programme de contrôle des aimants.
- Programmer la séquence de synchronisation d'expérience pour balayer le champ magnétique de 0 à 330 G G après la MOT est éteint.
NOTE: Ce balayage du champ magnétique prépare une interaction faiblement 6 gaz Li Fermi pour le refroidissement par évaporation standard. - Programmer un balayage de champ magnétique de 330 G à 527 G pour un gaz de Fermi sans interaction 14.
REMARQUE: La séquence de champ magnétique de 6.2.1-6.2.4. est représenté sur la figure 1, et le temps est listé dans le tableau 1. - Appliquer une impulsion à haute fréquence de bruit pour créer un mélange 50:50 des deux états les plus bas hyperfins 2 2 S 1/2 (F = 1/2, m F = ± 1/2) de 6 Li.
- Accorder la fréquence de résonance du laser à verrouillage avec les atomes à527,3 G (correspondant à la transition 2 2 S 1/2 (F = 1/2, m F = -1/2) → 2 2 P 3/2 du faible champ magnétique) en changeant la fréquence de sortie du signal RF Générateur.
REMARQUE: La fréquence de résonance maximise le nombre d'atomes de l'imagerie par absorption, qui est utilisé pour guider le réglage de la fréquence. Seuls les atomes de spin-down sont imagées pour présenter le nuage atomique car les mélanges 50:50 de spin sont utilisés pour l'expérience.
- Régler le pont en H dans le programme de synchronisation d'essai de sorte que les changements magnétiques de configuration de champ à partir de l'anti-Helmholtz à Helmholtz.
- Refroidissement par évaporation Piège abaissement
REMARQUE: Un refroidissement par évaporation standard est utilisé pour refroidir les atomes fermioniques de 6 Li à proximité du régime dégénéré. La première étape de refroidissement par évaporation est commandé par l'impulsion du laser à fibre et le second est commandé par le ODT AOM. La quasi-gaz de Fermi dégénéré sera utilisé comme échantillon pour le refroidissement paramétrique.- Commencez la première étape de l'esprit de refroidissement par évaporationh le logiciel de commande par impulsions de la puissance de laser à fibre, ce qui augmente la profondeur de piège de l'ODT à U 0, puis de nouveau à 0,1 U 0 (U 0 est la profondeur de piège avec la puissance du laser de 100 W). La durée totale de cette étape est de 0,5 s.
REMARQUE: La durée d'impulsion correspondant à U 0 doit être limitée à 0,5 s pour éviter l'effet de lentille thermique. - Programme de l'ODT AOM avec une courbe exponentielle comme représenté sur la Figure 1. Après la première étape de refroidissement par évaporation est terminée, attendre 30 ms, et ensuite commencer la deuxième étape de refroidissement par évaporation en réduisant la profondeur de piège de 0,1 U U 0 à 0,01 0 à travers le AOM ODT. La durée totale de cette étape est de 1,5 s.
- Acquérir l'image d'absorption des atomes froids après le refroidissement par évaporation.
NOTE: environ 10 5 atomes sont laissés dans le ODT après refroidissement par évaporation, qui peut être calculée à partir de laimage d'absorption.
- Commencez la première étape de l'esprit de refroidissement par évaporationh le logiciel de commande par impulsions de la puissance de laser à fibre, ce qui augmente la profondeur de piège de l'ODT à U 0, puis de nouveau à 0,1 U 0 (U 0 est la profondeur de piège avec la puissance du laser de 100 W). La durée totale de cette étape est de 0,5 s.
- Piège Profondeur de modulation
- Attendre 100 ms après le balayage magnétique à 527,3 G. moduler la profondeur du piège avec l'ODT AOM en U (t m) = 0,01 U 0 (1 + δ cos (ω m t m)), où δ est la profondeur de modulation et ω m est la fréquence de modulation. Réglez le temps de modulation t m dans la modulation paramétrique programme de contrôle de l' AFG. La séquence temporelle de la modulation est représentée sur la Figure 1.
NOTE: Ceci est l'étape clé de la mise en œuvre de refroidissement paramétrique. - Programmer l'APG pour libérer les atomes du ODT en tournant brusquement les faisceaux de piégeage. Laissez le gaz étendre pour 300 ms balistiquement avant d'appliquer l'imagerie d'absorption.
NOTE: L'expansion balistique est utilisé avec l'imagerie par absorption TOF pour obtenir le tempehrature des atomes froids. - Acquérir l'image d'absorption des atomes froid après refroidissement paramétrique.
- Attendre 100 ms après le balayage magnétique à 527,3 G. moduler la profondeur du piège avec l'ODT AOM en U (t m) = 0,01 U 0 (1 + δ cos (ω m t m)), où δ est la profondeur de modulation et ω m est la fréquence de modulation. Réglez le temps de modulation t m dans la modulation paramétrique programme de contrôle de l' AFG. La séquence temporelle de la modulation est représentée sur la Figure 1.
- Mesure du temps de dépendance
REMARQUE: Dans nos travaux antérieurs 7, nous avons trouvé la fréquence optimale du refroidissement paramétrique soit 1,45 ω x, ω où x est la fréquence de piégeage radiale de ODT à 0,01 U 0. L'utilisation de cette fréquence, on peut éliminer de manière sélective des atomes de haute énergie le long de la direction axiale.- Régler la profondeur de modulation à ô = 0,5 par l' intermédiaire de la modulation paramétrique programme de commande d'AFG.
- Utiliser la fonction de commande de déclenchement externe de l'AFG de modulation paramétrique pour modifier le temps de modulation de 0 à 600 ms en faisant varier les nombres de cycles de modulation.
NOTE: Avec l'augmentation du temps de modulation, la taille du nuage atomique sera réduite, en particulier la direction axiale. Les résultats pertinents sont présentés à la figure 9. Acquérir les cadres d'imagerie de la caméra. Enregistrer et analyser les images à travers le programme de contrôle de la CCD.
REMARQUE: caméra CCD est utilisée pour enregistrer l'image d'absorption des atomes froids, ce qui est le principal outil de diagnostic d'atomes froids.
3. 671 nm Laser Préparation
REMARQUE: Un PCIE à fréquence unique 671 nm à 500 mW de puissance de sortie est utilisé pour générer le refroidissement de la MOT et poutres de piégeage. Un autre est utilisé 671 nm PCIE de 35 mW pour l'imagerie par absorption. Procédé de modulation de courant laser numérique (DLCM)est appliqué à la stabilisation de la fréquence du laser 10. Les associés 6 niveaux d'énergie Li sont représentées sur la figure 3a. stabilité de la température ambiante de 20 ± 1 ° C est nécessaire pour la stabilité optimale de verrouillage de fréquence de laser.
4. Absorption Imagerie Préparation
NOTE: Les atomes sont sondées avec l'imagerie par absorption, qui a besoin de deux trames d'image. Le premier avec les atomes est la trame de signal, et le second sans atomes est la trame de référence.
5. Atomes de refroidissement avec MOT
REMARQUE: MOT est une méthode de refroidissement largement utilisé dans les expériences des atomes ultrafroids. Cette section génère un MOT de l' ordre d' un milliard de 6 atomes de Li à environ 300 μK.
7. Parametric Refroidissement
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Representative Results
En utilisant ce protocole, nous étudions la dépendance du refroidissement paramétrique du temps de modulation à la fréquence de modulation et une amplitude optimisée, qui ont tous deux été déterminées dans notre publication précédente 7. Nous préparons un premier gaz de Fermi sans interaction de 6 atomes de Li dans les deux états les plus bas hyperfins avec une température de T / T F ≈ 1,2. Ici, T F = (6N) 1/3 T ω / k B = 5,2 μK est déterminée avec un nombre d'atomes N = 1,7 x 10 5 par tour et la fréquence de piégeage moyenne géométrique ω = (ω x ω y ω z) 1 / 3 = 2π × (2250 x 2450 x 220) 3.1 Hz, H est la constante de Planck réduite, et k B est la constante de Boltzmann. Le temps-résultats dépendants sont présentés sur la figure 9 avec une fréquence de modulation de 1.45ω x, et la profondeur de modulation de 0,5. Les images d'absorption d'TOF des nuages atomiques (Figure 9a) montrent une diminution significative de la taille du nuage axial avec l'augmentation du temps de modulation, ce qui indique la température absolue est réduite en permanence par un refroidissement paramétrique.
Pour décrire quantitativement l'effet de refroidissement, on utilise E (x, z) / E F comme une thermométrie efficace pour les gaz ultrafroids Fermi 7, où E f est l'énergie de Fermi et E (x, z) sont les énergies des nuages atomiques dans la direction radiale et directions axiales respectivement. On extrait d'abord le nombre taille moyenne carré indépendante (NIMS) à partir du nuage atomique. Ensuite , à partir du NIMS, on calcule E (x, z) / E F sur la figure 9b. Au bout d' environ 500 ms modulation, le E z / E F est réduite de manière significative de 1,80 à 0,90 et E x / E F est légèrement augmenté légèrement de 1,20 à 1,25. Les nombres atomiques décroissants dans la figure 9b indiquent encart atomes sont expulsés hors du piège. Nous constatons que le refroidissement paramétrique modifie l'énergie atomique nuage d'une manière anisotrope, dans lequel l'énergie dans la direction axiale est inférieure à l'énergie de Fermi tandis que l'une radial est toujours supérieure à l'énergie de Fermi. Il est à noter que les énergies inégales initiales en direction axiale et radiale (figure 9b) est généré par le piège rapide abaissement appliqué à la section 6.3. Après le refroidissement paramétrique, l'énergie de la direction axiale est considérablement réduite tandis que l'énergie radiale est à peine modifiée. Ce résultat indique la façon que le refroidissement paramétrique change l'énergie nuage est anisotrope. Cet effet anisotrope est dû au fait que laanharmonicité dominante de l'ODT-faisceaux croisés est le long de la direction axiale 7. Ces échantillons thermodynamiquement anisotropes peuvent être utilisés pour étudier les processus de thermalisation dans un système d'interaction quantique plusieurs corps.
Figure 1: Système d'ultravide. La chambre à vide de l'appareil d'atomes ultrafroids à IUPUI. 1. four, 2. Zeeman plus lent, 3. bobines magnétiques, 4. chambre d'expérience et 5. caméra CCD. S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.
Figure 2: séquence de synchronisation pour le refroidissement paramétrique. La courbe noire est la synchronisation de la puissance du laser à fibre. La courbe rouge est une of ODT timing AOM. La courbe de cyan représente le champ magnétique. La courbe orange est les impulsions d'imagerie TOF. L'axe horizontal indique l'échelle de temps de chaque étape. S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.
Figure 3: Les niveaux atomiques de 6 Li et les spectres de verrouillage fréquence laser. a) 6 Li 2 D transition pour les faisceaux de refroidissement et de repompage du MOT. b) La courbe jaune est le spectre d'absorption saturée sans Doppler de 6 Li ligne D 2, et la courbe rouge est le signal d'erreur de verrouillage associée. Le pic de gauche est le 2 2 S 1/2 (F = 3/2) P → 2 2 3/2 transition, celle de droite est le 22 S 1/2 (F = 1/2) P → 2 2 3/2 transition, et le milieu est le signal de croisement des deux transitions. La croix de tableau de bord est le point de blocage. S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.
Figure 4: 6 four Li. Chaque section intitulée contient une bobine de chauffage à régulation de température du four pour délivrer le flux atomique nécessaire. S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.
Figu 5 re: Zeeman plus lent. La bobine de croisement est la dernière section de la lente Zeeman. S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.
Figure 6: MOT agencement optique. La configuration optique pour la génération de la MOT et le ralentissement de faisceaux laser. S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.
Figure 7: MOT et images d'absorption ODT. a) l' image de la MOT après la phase de pompage. b) L'image de la MOT et ODT chevauchement._upload / 55409 / 55409fig7large.jpg » target = "_ blank"> S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.
Figure 8: Schéma optique Crossed-Beam ODT. L'angle de croisement de l'ODT est 2θ = 12 °. Le laser à fibre AFG contrôle la pulsation du laser, l'ODT AFG contrôle la courbe d'abaissement piège, et la modulation paramétrique AFG contrôle la modulation de l'intensité du laser. La taille de faisceau des deux faisceaux est d'environ 37 um. La polarisation du premier faisceau est verticale et la polarisation du second faisceau est horizontale. S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.
Figure 9: Tempsla mesure de la dépendance de refroidissement paramétrique. a) Les images d'absorption des nuages atomiques des différents temps de modulation. b) La dépendance de E (x, z) / E F sur le temps de modulation (cercles bleus sont E z / E F et les carrés rouges sont pour E x / E F). La figure intercalaire est le nombre d'atomes en fonction du temps de modulation. Les barres d'erreur représentent un écart type. S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.
| MOT chargement sur | Point de départ |
| MOT temps de chargement | 10 s |
| MOT refroidissement | MOT chargement décentré |
| temps de refroidissement MOT | 5 ms |
| MOT pompage sur | MOT refroidissement |
| temps de pompage MOT | 100 ms |
| MOT AOM off | MOT off (La même chose que le pompage de l'MOT off) |
| plus lent obturateur de faisceau sur Zeeman | 200 ms avant le chargement de la MOT off |
| MOT faisceau obturateur sur | off MOT |
| Fibre temps de démarrage de refroidissement par évaporation laser | 14 ms avant la fin du chargement MOT |
| ODT refroidissement par évaporation du temps de démarrage | 500 ms après le décollage de la MOT |
| H-pont temps de commutation | off MOT |
| heure de début magnétique de balayage de champ (de 0 à 330 g) | off MOT |
| heure de début de balayage de champ magnétique (de 330 à 527.3G) | 2,000 ms après le décollage de la MOT |
| heure de début de refroidissement Parametric | 2500 ms après le décollage de la MOT |
| Imaging temps de déclenchement d'impulsions | 3,200 ms après le décollage de la MOT |
| temps de déclenchement CCD | 100 ms avant le déclenchement impulsions d'imagerie temps |
Tableau 1: commande de synchronisation expérimentale. paramètres de la séquence de cadencement pour commander des instruments de laboratoire. La séquence de synchronisation à partir de MOT chargement, de refroidissement et de pompage. Le MOT off est le point de temps après le pompage MOT.
| canal 1 | canal 2 | canal 3 | Channel 4 | Channel 5 |
| 348 ° C | 354 ° C | 434 ° C | 399 ° C | 372 ° C |
Tableau 2: Oven profil de température. Le four 6 Li fonctionne à flux optimal avec les températures indiquées.
| Phase | Chargement | Refroidissement | Pompage | |||
| Faisceau | Refroidissement | repompage | Refroidissement | repompage | Refroidissement | repompage |
| Désaccorder de transition verrouillée (MHz) | -28 | -28 | -5 | -5 | -2 | DE |
| Intensité (je me suis assis) | 2 | 1 | 0,1 | 0,05 | 0,08 | DE |
Tableau 3: Phases MOT propriétés. La séquence de phase de la MOT est conçu pour maximiser thnombre d'atomes de e à transférer dans le ODT.
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Discussion
Nous présentons un protocole expérimental pour le refroidissement paramétrique d'un gaz de Fermi sans interaction dans un piège optique à faisceaux croisés. Les étapes essentielles de ce protocole sont: d'abord, le besoin de gaz de Fermi optiquement piégé à refroidir proche de la température dégénérée en diminuant la profondeur du piège. D'autre part, une fréquence de modulation est choisie qui est en résonance avec le composant anharmonique du potentiel de piégeage. En troisième lieu, l'intensité du faisceau de piégeage est modulée pour refroidir le nuage atomique et de mesurer la dépendance de l'énergie de nuage sur le temps de modulation.
Par rapport au système de piège d'abaissement, le dispositif paramétrique de refroidissement fournit de façon sélective pour éliminer les atomes riches en énergie à partir du piège optique sans réduire la profondeur du piège. Il aide à augmenter la densité de phase et refroidir un gaz de Fermi sans interaction. Parce que ce refroidissement paramétrique est généralement anisotrope, il fournit également un procédé commode de modifier l'anisotropie de la température du gaz quantiquees.
Afin de permettre le refroidissement paramétrique, le protocole actuel nécessite un gaz de Fermi proche de la température dégénérée comme point de départ. L'effet de refroidissement est également limité à la direction axiale du potentiel de piégeage. Ces deux limitations sont dues à l'anharmonicité finie du faisceau ODT-croisé qui est faite par des faisceaux laser gaussiens dans le protocole actuel. Pour étendre cette méthode pour les différentes espèces atomiques et l'appliquer pour la plage de température plus grande, nous devons augmenter la anharmonicité du potentiel de piégeage.
Nous vous proposons deux améliorations pour cette technique de refroidissement. Tout d' abord, le refroidissement paramétrique peut être mis en oeuvre avec un potentiel de piégeage avec grande anharmonicité dans les trois directions, telles que des pièges à la case 15 ou des pièges en loi de puissance 16, qui a le potentiel pour refroidir directement les atomes piégés à partir de l'état thermique dans le régime dégénéré sans exigeant l'abaissement du piège optique àtout. En second lieu , en agitant périodiquement le potentiel de piégeage optique à travers un AOM 17, on peut synthétiser le piège optique à grande anharmonicité en utilisant la méthode de Floquet 18.
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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
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