Introduction
В последние два десятилетия, различные методы охлаждения были разработаны для генерации Бозе-Эйнштейна конденсаты (БЭК) и вырожденного Ферми - газа (ДФГ) от горячих атомных паров 1, 2, 3, 4, 5. БЭК и ДФГ являются новыми фазами вещества, которые существуют в крайне низких температурах, как правило, одной миллионной градуса выше абсолютного нуля температуры, значительно ниже тех, которые обычно найдены на Земле или в космосе. Для того, чтобы получить такие низкие температуры, большинство методов охлаждения полагаются на понижение удерживающего потенциала к испарительным охладить атомы. Тем не менее, снижение схема также снижает скорость столкновения атомов, что ограничивает эффективность охлаждения , когда газ достигает квантовый режим 6. В этой статье мы представляем «высылающий» метод испарительного охлаждения газа в ультрахолодных Ферми в ODT безпонижая глубину ловушки. Этот метод основан на нашем недавнем исследовании параметрического охлаждения 7, показывающий ряд преимуществ по сравнению с понижающих схемами 7, 8, 9.
Основная идея параметрической схемы является использование ангармоничности ODT пересекли пучок, что делает более горячие атомы вблизи края потенциала захвата чувствовать низкие частоты отлова, чем холодные атомов в центре. Это энгармонизм позволяет более горячие атомам быть селективно исключены из ловушки при модуляции удерживающего потенциала на частотах резонансных с атомами высоких энергий.
Экспериментальный протокол параметрического охлаждения требует предварительного охлаждения газа невзаимодействующих Ферми вблизи температуры вырожденной. Для реализации данного протокола, акустооптический модулятор (АОМ) используется для модуляции интенсивности захвата пучков по controllinг частотная модуляция, глубина и время. Для того, чтобы проверить, охлаждающий эффект, атомное облако зондирования поглощения изображений времени пролета (TOF), где резонансный лазерный луч освещает атомное облако и тень поглощения захватывается прибором с зарядовой связью (ПЗС) камерой. Свойства облака, такие как число атомов, энергия и температуры, определяются плотностью столбца. Для того, чтобы охарактеризовать охлаждающий эффект, мы измерить зависимость энергий облака на различные моменты времени модуляции.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
Примечание: Этот протокол требует , домашний встроенного ультрахолодный атом устройства , включающих следующего оборудование: два внешних диодных резонатор лазеров (ECDL), установки запирающей для ECDL смещения частоты блокировки 10, волоконный лазер для ODT, АОМ для модуляции интенсивности лазерного излучения , система радиочастотной (РЧ) антенны с генератором источника и усилителя мощности, система визуализации поглощения с ПЗС-камерой, компьютерная программа для синхронизации последовательности и сбора данных (DAQ), компьютерную программу для обработки изображений и анализа данных, пара электромагнитов для MOT и смещения магнитных полей и сверхвысокой вакуумной камеры , включая 6 Li печи пара и Зееманом медленнее (показанного на фиг.1).
Внимание: Три лазеров различной мощности и длины волн используются. Пожалуйста, обратитесь к соответствующим спецификации безопасности лазера и выбрать правильные очки лазерной безопасности.
1. Сроки Contрол
Примечание: Все временные последовательности управляется с помощью 128 канала PCI-DAQ карт через программу управления синхронизацией. Разрешение временной последовательности составляет 100 мкс. Несколько программ контрольно - измерительных приборов, используются для управления настройками инструментов, таких как волоконный лазер произвольной функции генератора (AFG), ODT AFG, произвольного импульсного генератора (APG), параметрического AFG модуляции, MOT мультиплексор, ВЧ - генератора, и т.д..
- Откройте программу управления синхронизацией и управляющие программы для инструментов.
Примечание: Программа управления синхронизацией посылает сигналы TTL (транзисторно-транзисторной логики) к клеммам управления для запуска файлов управления синхронизацией. Некоторые инструменты подключены к компьютеру GPIB (IEEE 488) для контроля в режиме реального времени. - Запись файла синхронизации эксперимента и установить временные параметры, перечисленные в таблице 1.
Примечание: после того, как последовательности синхронизации MOT также иллюстрируется на фиг.2. 2. Получение CCD камера - Включите драйвер CCD камеры и программы управления. Установите ПЗС - камеру в режим изображения частиц велосиметрии (PIV) 11. Установите время экспозиции ПЗС до 5 мс.
Примечание: Режим PIV уменьшает промежуток времени между сигналом и опорным кадром, что увеличивает отношение сигнала к шуму визуализации поглощения. - Используйте внешний триггер, чтобы управлять экспозицией CCD
Примечание: Время срабатывания ПЗС приведены в таблице 1. - MOT Лазерная Получение
Примечание: Оптическая установка и соответствующие результаты методы DLCM представлены в справочных 10.- Включите нагреватель атомного пара клеток 6 Li и нагреть его до 340 ° C.
- Подогреть лазер блокирующего АОМ в течение 1 ч.
- Включите контроллер блокировки частоты лазера и открыть свое программное обеспечение. Включите лазерную решетку и ток модуляции ECDL в программном обеспечении.
Примечание: Частота модуляции и амплитуда модуляции решетки установлены на 5 Гц и 1,0 В соответственно. Частота модуляции и амплитуда модуляции тока установлены на 100 кГц и 0,0015 соответственно V п.п. , чтобы уменьшить ширину линии лазера 10, - Включите эмиссии ECDL.
Примечание: Лазерный свет проходит через оптические установки MOT и достигает эксперимент вакуумной камеры. - Слегка регулировать ток лазера ECDL вручную , чтобы настроить частоты лазера , пока блокировка в сигнал ошибки от 2 линии 6 Li D не наблюдается, как показано на рисунке 3b.
- Установите точку блокировки в программном обеспечении управления к 2 2 S 1/2 (F = 3/2) → 2 2 P 3/2 перехода (см рисунки 3a, 3b). Затем зафиксируйте частоту лазера для этого перехода, и настроить точку замка к центру перехода 10.
Примечание: После того, как частота лазера блокируется, сигнал ошибки блокировки в показывает небольшое колебание в точке замка, соответствующей частоте колебаний вокруг точки фиксации.
- Получение изображений лазера
Примечание: Оптическая установка и соответствующие результаты смещения метода запирающего представлены в ссылочных 10.- Включите смещение блокирующего генератора РЧ сигнала.
- Включите модуляции решетки, и увеличение амплитуды модуляции 2 В.
- Повторите процесс настройки частоты в 3.1.4.-3.1.5. чтобы получить частоты лазера сигнала ошибки бьющейся в осциллографе и анализатор радиочастотного спектра.
- Блокировка частоты лазера к биений сигнала смещения блокировки с помощью двух модулей обратной связи ПИД-регулятора.
Примечание: После того, как частота лазера заблокирована, спектр сигнала биений в ВЧ-спектре остановится в точке фиксации.
- Включите в APGи луч изображения ОСО.
- Установите длительность импульса изображения до 10 мкс, а также установить время разделения между двумя кадрами изображений до 5,5 мс.
- Установите интенсивность пучка изображений до около 0,3 я сидел, где я сидел = 2,54 мВт / см 2 представляют собой насыщенные интенсивности поглощения 6 Li D 2 линии.
- Медленное Источник Atom
- Включите нагреватели печи.
- После того , как температура достигает печи эксплуатационной области (см таблицу 2), включите вентиляторов охлаждения для Зееманом медленнее. Затем медленно увеличивать ток медленнее 9,2 А. Включите ток двух кроссоверов катушек до 7 А и 1 А соответственно.
ЗАМЕТКА:Распределение температуры печи , перечисленной в таблице 2 оптимизировано для коллимации и времени жизни атомного источника 12. Расположение нагревателей на печи показано на рисунке 4. - Разблокировать зеемановский медленный лазерный луч вручную, открыв атомный затвор. Установите частоту лазерного луча до 192 МГц красно-расстройке с 2 2 S 1/2 (F = 3/2) → 2 2 P 3/2 перехода.
Примечание: С помощью этой установки, скорость атомов замедляются от 1,400 м / с до 100 м / с. Зеемановская медленнее показана на рисунке 5.
- Магнитное поле градиента
Примечание: Данное устройство использует пару катушек, управляемых Н-моста коммутационной цепи, чтобы производить либо анти-Гельмгольца или Гельмгольца магнитного поля. Катушки с водяным охлаждением для предотвращения перегрева.- Медленно включите расход воды до 6 л / мин.
- Установите H-мост для анти-Гельмгольца конфигурации магнитного поля путем запуска программы управления синхронизацией с файлом синхронизации MOT загрузки.
- Включите источники питания магнитов, и установить ток каждой катушки до примерно 18 А с помощью своей программы управления, которая создает магнитное поле, градиент от приблизительно 22 г / см для MOT.
Примечание: Статический MOT наблюдается в эксперименте камере после того, как градиент магнитного поля включен.
- Динамический MOT
Примечание: Оптическая установка 6 Li MOT содержит три пары счетчика распространяющейся MOT пучки со всеми парами ортогональных друг к другу. Каждый пучок включает в себя MOT охлаждающий луч и луч перекачивающий. Интенсивности и частота отстройка балок, которые управляются АОМОМ, различны для трех фаз. Управляющие напряжения на АОМЕ устанавливается с помощью мультиплексора схем командуют системы управления синхронизации. Параметры для трех фаз приведены в таблице 3. Оптическая планировкаиз MOT пучков показано на рисунке 6.- Нагрузка, скомпилировать и запустить эксперимент синхронизации файла в программе управления синхронизацией по шлейфу с программным управлением. Время эксперимента начинается с этапом MOT загрузки. Монитор сигнала флуоресценции MOT в фотодетектор , чтобы достичь 2 V, который указывает , около 10 9 атомов в МОЛ.
Примечание: флуоресценция MOT собирают с помощью линзы с пространственным углом около 10 -4 рад. Фаза загрузки число атомов может быть вычислено с помощью метода в ссылке 13. - С помощью оптического затвора, чтобы блокировать замедление пучка до окончания фазы загрузки.
Примечание: Выбор время замедления затвора луча также находится под контролем времени эксперимента, который указан в таблице 1. - Установка интенсивности и частоты отстройки MOT лазерных пучков в соответствии с таблицей 3 для фазы охлаждения.
Примечание: После фазы охлаждения, чтобы температураТО уменьшается до примерно 300 мкКа. - Для фазы накачки, программа эксперимента файла синхронизации, чтобы отключить перекачивающие балки с ОСО.
Примечание: насосные фазы насосы всех атомов в нижайших состояния сверхтонких 2 2 S 1/2 (F = 1/2). - Выключает MOT пучки и сдвиг частоты лазера 30 МГц ниже атомного переход резонанса отита, и блокировать утечку свет от АОМА с оптическим жалюзи.
Примечание: После этапа MOT, любая утечка резонансного света с атомным облаком приведет к потере атома. Сроки контроля АОМА и луч затвора MOT все перечисленные в таблице 1. - После динамического MOT, приобретают кадры изображений с камеры. Получить абсорбционной визуализацию МОЛ.
ВНИМАНИЕ: атомный номер MOT составляет около 10 7 после фазы накачки. Типичное поглощение изображение MOT показано на рисунке 7а.
- Нагрузка, скомпилировать и запустить эксперимент синхронизации файла в программе управления синхронизацией по шлейфу с программным управлением. Время эксперимента начинается с этапом MOT загрузки. Монитор сигнала флуоресценции MOT в фотодетектор , чтобы достичь 2 V, который указывает , около 10 9 атомов в МОЛ.
- Оптический Диполь Trap
Примечание: ODT является основным инструментом для создания ультрахолодных ферми-газов. Для того, чтобы генерировать глубокий ODT, волоконный лазер с мощностью излучения 100 Вт на длине волны 1064 нм используется. Установка ODT показана на рисунке 8.- Включите поток воды для охлаждения отвалов лазерного луча.
- Установите управляющее напряжение ODT ОСО до 1 В вручную. Включите волоконный лазер с мощностью излучения 13 Вт.
- Проверьте оптики ODT с помощью инфракрасного света зрителя, и удаление пыли с потоком газа аргона.
Примечание: Пыль на оптике можно изменить пространственный профиль ODT, и вызвать нестабильность ODT. - Команда волоконного лазера AFG для генерации лазерного импульса с помощью управляющей программы AFG.
Примечание: Выход лазерного импульса срабатывает по времени эксперимента, и время начала этого импульса устанавливается на 14 мс до конца фазы MOT загрузки. В пулыУправление электронной последовательности показано на фиг.1, и сроки указаны в таблице 1. - Вручную установить управляющее напряжение ODT АОМА до 8 В (80% насыщенной ВЧ мощности).
Примечание: Максимальная мощность ВЧ драйвера АОМА должно быть ограниченно до 80% от насыщенной мощности, чтобы уменьшить тепловой линзовый эффект. - Приобретать изображения поглощения МОЛ и ODT от камеры.
ПРИМЕЧАНИЕ: Проверьте перекрытие МОЛ и ODT через их визуализацию поглощения. На рисунке 7б показаны типичные изображения поглощения МОЛ и ODT, соответственно.
- Уклон магнитного поля и спин Смешение ВЧ поле
Примечание: Для того , чтобы генерировать взаимодействующий ферми - газ, смещение магнитное поле в вертикальном направлении , применяются для настройки с -волной длиной рассеяния.- Установите H-мост в программе эксперимента синхронизации, так что магнитное поля изменения конфигурации из анти-Гельмгольца к Гельмгольцу.
Примечание: HelmХольц катушки генерируют смещения магнитного поля для настройки межатомного взаимодействия. - Установите магнитное поле смещения до 330 G в канале 2 и 527,3 G в канале 3 программы управления магнитами.
- Программирование последовательности эксперимента синхронизации развертки магнитного поля от 0 до 330 G G после того, как MOT выключен.
Примечание: Это магнитное поле развертка готовит Слабовзаимодействующий 6 Li Ферми газа для стандартного испарительного охлаждения. - Программирование магнитного поля развертки от 330 г до 527 г для невзаимодействующего Ферми газа 14.
Примечание: Магнитное поле последовательности из 6.2.1-6.2.4. показана на фиг.1, и сроки указаны в таблице 1. - Нанесите шумный радиочастотный импульс , чтобы создать смесь 50:50 двух низших состояний сверхтонких 2 2 S 1/2 (F = 1/2, м F = ± 1/2) 6 Li.
- Настройтесь заблокированными частоты лазера в резонансе с атомами в527,3 С (соответствующий переходом 2 2 S 1/2 (F = 1/2, м F = -1/2) → 2 2 P 3/2 в слабом магнитном поле), изменяя выходную частоту высокочастотного сигнала генератор.
Примечание: Резонансная частота максимизирует число атомов визуализации поглощения, который используется для направления регулировки частоты. Только спин-вниз атомы изображаются представить атомное облако, так как 50:50 спиновые смеси используются для эксперимента.
- Установите H-мост в программе эксперимента синхронизации, так что магнитное поля изменения конфигурации из анти-Гельмгольца к Гельмгольцу.
- Испарительного Охлаждение Trap Опускание
Примечание: Стандартный испарительного охлаждения используется для охлаждения фермионных атомов 6 Li вблизи вырожденного режима. Первый этап испарительного охлаждения управляется с помощью импульса лазера волокна, а второй контролируется ODT ОСО. Почти вырожденный Ферми газ будет использоваться в качестве образца для параметрического охлаждения.- Начало первого этапа испарительного охлаждения остроумияч управляющее программное обеспечение с помощью пульсации мощности волоконного лазера, что увеличивает глубину ловушку ODT к U 0, а затем обратно до 0,1 U 0 (U 0 представляет собой полную глубину ловушки с лазерной мощностью 100 Вт). Общее время этого этапа составляет 0,5 с.
Примечание: Длительность импульса , соответствующего U 0 должно быть ограничено 0,5 с , чтобы избежать теплового линзового эффекта. - Программа ПРТ АОМ с экспоненциальной кривой , как показано на рисунке 1. После того, как первый этап испарительного охлаждения закончен, подождите 30 мс, а затем начать вторую стадию испарительного охлаждения за счет снижения глубины ловушки от 0,1 U 0 до 0,01 U 0 через ODT ОСО. Общее время этого этапа составляет 1,5 с.
- Приобретение поглощения визуализации холодных атомов после испарительного охлаждения.
Примечание: Около 10 5 атомов остаются в ODT после испарительного охлаждения, которая может быть вычислена изПоглощение изображения.
- Начало первого этапа испарительного охлаждения остроумияч управляющее программное обеспечение с помощью пульсации мощности волоконного лазера, что увеличивает глубину ловушку ODT к U 0, а затем обратно до 0,1 U 0 (U 0 представляет собой полную глубину ловушки с лазерной мощностью 100 Вт). Общее время этого этапа составляет 0,5 с.
- Trap Глубина модуляции
- Подождите 100 мс после магнитной развертки до 527,3 G. модулировать глубину ловушки с ODT АОМ на U (т т) = 0,01 U 0 (1 + δ сов (ω м т м)), где δ глубина модуляции и ω м частота модуляции. Установка времени модуляции т т в параметрической программе управления модуляцией АФГА. Временная последовательность модуляции показана на рисунке 1.
Примечание: Это является ключевым этапом реализации параметрического охлаждения. - Программирование APG выпустить атомы из ODT по резко выключают отлов лучи. Пусть газ баллистического расширить за 300 мкс перед нанесением изображений поглощения.
Примечание: Баллистическое расширение используются при визуализации поглощения TOF, чтобы получить Темпrature холодных атомов. - Приобретение поглощения изображения холодных атомов после параметрического охлаждения.
- Подождите 100 мс после магнитной развертки до 527,3 G. модулировать глубину ловушки с ODT АОМ на U (т т) = 0,01 U 0 (1 + δ сов (ω м т м)), где δ глубина модуляции и ω м частота модуляции. Установка времени модуляции т т в параметрической программе управления модуляцией АФГА. Временная последовательность модуляции показана на рисунке 1.
- Временная зависимость измерения
Примечание: В нашей предыдущей работе 7, мы обнаружили , оптимизированная частоту параметрического охлаждения , чтобы быть 1,45 ω х, где ω х радиальной частота улавливания ODT при 0,01 U 0. Используя эту частоту, можно селективно удалить атомы высокой энергии вдоль осевого направления.- Установите глубину модуляции & delta ; = 0,5 с помощью параметрической программы управления модуляции АФГА.
- Используйте функцию внешнего управления триггером параметрического AFG модуляции для изменения времени модуляции от 0 до 600 мсов, изменяя число циклов модуляции.
Примечание: С увеличением времени модуляции, размер атомного облака будет уменьшен, особенно в осевом направлении. Соответствующие результаты приведены на рисунке 9. Приобретать кадры изображений с камеры. Сохранить и анализировать изображения с помощью программы управления CCD.
Примечание: ПЗС-камера используется для записи поглощения визуализации холодных атомов, который является основным диагностическим инструментом холодных атомов.
3. 671 нм лазера Получение
ПРИМЕЧАНИЕ: 671 нм на одной частоте ECDL с выходной мощностью 500 мВт используется для генерации охлаждения MOT и захвата пучков. Еще 671 нм ECDL 35 мВт используется для визуализации поглощения. Способ модуляции тока цифрового лазера (DLCM)применяются для стабилизации частоты лазера 10. Соответствующие 6 уровней энергии Li показаны на рисунке 3а. Номер температурная стабильность 20 ± 1 ° С требуется для оптимальной стабильности частоты лазера блокировки.
4. Поглощение изображений Получение
Примечание: Атомы зондировали с изображениями поглощения, который нуждается в два кадра изображения. Первые из них с атомами является сигнальным кадром, а второй без атомов опорного кадра.
5. Атомы охлаждения с MOT
Примечание: MOT является широко используемым методом охлаждения в экспериментах ультрахолодных атомов. Этот раздел генерирует MOT около одного миллиарда 6 атомов Li при температуре около 300 мкКа.
7. Параметрический Охлаждение
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Используя этот протокол, мы исследуем зависимость параметрического охлаждения от времени модуляции с оптимизированной частотой модуляции и амплитудами, оба из которых были определены в нашей предыдущей публикации 7. Сначала готовят невзаимодействующих ферми - газ из 6 атомов Li в двух низших состояний сверхтонких с температурой Т / П ≈ 1.2. Здесь T F = (6N) 1/3 ħ ω / к В = 5,2 мкК определяется с числом атомов N = 1,7 × 10 5 на спин и геометрической средней частоты захвата со = (ω х ω ω у г) 1 / 3 = 2π × (2250 × 2450 × 220) 1/3 Гц, H приведенная постоянная Планка, а к в является постоянная Больцмана. Время-зависимые результаты показаны на рисунке 9 с частотой модуляции 1.45ω х, и глубиной модуляции 0,5. Изображения поглощения TOF - атомных облаков (рис 9а) показывают значительное уменьшение осевого размера облака с увеличением времени модуляции, что указывает на абсолютную температуру непрерывно уменьшается параметрической охлаждением.
Для количественного описания охлаждающего эффекта, мы используем Е (х, г) / Е в качестве эффективного термометрии для ультрахолодный Ферми газов 7, где Е является энергией Ферми и Е (х, г) является атомной энергией облака в радиальном и направление осевого соответственно. Мы во-первых, извлечь число, не зависящее средний квадрат размера (NIMS) от атомного облака. Тогда из NIMS, вычислим Е (х, г) / Е на рисунке 9б. Примерно через 500 мс модуляции, Е г / Е значительно уменьшается от 1,80 до 0,90 и Е х / Е слегка немного увеличен с 1.20 до 1.25. Убывающие атомные номера на фиг.9b вставке указывают на атомы исключены из ловушки. Мы считаем, что параметрическое охлаждение изменяет атомную энергию облака в анизотропном способе, в котором энергия в осевом направлении ниже энергии Ферми в то время как радиальная один еще выше энергии Ферми. Следует отметить , что начальная неравная энергия в осевой и радиальном направлении (рис 9b) порождается быстрой ловушкой опускания применяется в разделе 6.3. После параметрического охлаждения, осевое направление энергии значительно уменьшается, а радиальная энергия практически не изменилась. Этот результат указывает на то, что способ параметрического охлаждения изменяет облако энергии анизотропной. Этот анизотропный эффект обусловлен тем, чтодоминирующий энгармонизм ODT перекрещивающегося пучка вдоль осевого направления 7. Такие термодинамически анизотропные образцы могут быть использованы для изучения процессов термализации в взаимодействующей квантовой системе многих тел.
Рисунок 1: сверхвысокая вакуумная система. Вакуумная камера ультрахолодной аппарата атома в IUPUI. 1. печь, 2. зеемановская медленнее, 3. Магнитные катушки, 4. Эксперимент 5. камеры и ПЗС-камеры. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.
Рисунок 2: Временная последовательность для параметрического охлаждения. Черная кривая представляет собой волоконный лазер синхронизации мощности. Красная кривая является одним ое ODT АОМ времени. Кривая циан представляет собой магнитное поле. Оранжевая кривая импульсы TOF-визуализации. Горизонтальная ось показывает временную шкалу каждой стадии. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.
Рисунок 3: Атомные уровни 6 Li и частота лазера блокировка спектров. а) 6 Li D 2 перехода для охлаждения и перекачивающих пучков ТО. б) Желтая кривой насыщенный спектры поглощения доплеровского свободный от 6 Li D 2 линии, а красные кривым является соответствующим замком в сигнале ошибки. Левый пик 2 2 S 1/2 (F = 3/2) → 2 2 P 3/2 перехода, правая является 22 S 1/2 (F = 1/2) → 2 2 Р 3/2 перехода, а среднее положение кроссовер сигнала из двух переходов. Поперечный тир точка блокировки. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.
Рисунок 4: 6 Li печи. Каждая секция содержит маркировку с регулируемой температурой нагрева катушки для печи на выход требуемого атомного потока. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.
FIGU ре 5: Зееманом медленнее. Катушка Кроссовер последний раздел зеемановским медленнее. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.
Рисунок 6: MOT оптическая схема. Оптическая установка для генерации ТО и замедляющих лазерных лучей. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.
Рисунок 7: MOT и изображение поглощения ODT. а) MOT изображение после откачки фазы. б) Изображение перекрытой ТО и ODT._upload / 55409 / 55409fig7large.jpg»целевых =„_blank“> Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.
Рисунок 8: пересеченная-луч ODT оптическая схема. Углом пересечения ODT является 2θ = 12 °. Волоконный лазер АФГ управляет пульсацией лазера, ODT АФГ управляет ловушкой опускания кривого, и параметрический модуляции АФГ управляет модуляцией интенсивности лазерного излучения. Пучка талии обоих пучков составляет около 37 мкм. Поляризации первого луча по вертикали и поляризация второго пучка находится в горизонтальном положении. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.
Рисунок 9: ВремяИзмерение зависимости параметрического охлаждения. а) абсорбция изображение атомных облаков различных времен модуляции. б) Зависимость Е (х, г) / Е по времени модуляции (синие круги для Е г / E F и красные квадраты для Х х / Х F). Цифра врезке это число атомов в зависимости от времени модуляции. Столбики ошибок представляют собой одно стандартное отклонение. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.
| MOT нагрузка на | Начальная точка |
| Время MOT загрузки | 10 лет |
| MOT охлаждения на | MOT нагрузка от |
| Время охлаждения MOT | 5 мс |
| MOT откачки | MOT охлаждение |
| Время MOT насосного | 100 мкс |
| MOT АОМ от | MOT выкл (То же самое, как MOT откачка) |
| Zeeman медленнее затвор пучка на | 200 мс до начала загрузки MOT выключения |
| MOT луч затвора на | MOT от |
| Волокно лазера испарительного охлаждения время начала | 14 мс до конца загрузки MOT |
| ODT испарительного охлаждения времени начала | 500 мс после выключения MOT |
| Н-моста реле времени | MOT от |
| Магнитное поле развертки время начала (от 0 до 330 г) | MOT от |
| Магнитное поле развертки время начала (от 330 до 527.3G) | 2000 мс после отключения MOT |
| Время начала Параметрического охлаждения | 2500 мс после отключения MOT |
| Время обработки изображений запускающего импульса | 3200 мс после отключения MOT |
| CCD время запуска | 100 мкс до момента запуска импульса изображения |
Таблица 1: Экспериментальное управление синхронизацией. Временные параметры последовательности для управления экспериментальных инструментов. Временная последовательность начинается в MOT загрузки, охлаждения и перекачки. От MOT времени точка после MOT накачки.
| канал 1 | канал 2 | канал 3 | Channel 4 | канал 5 |
| 348 ° С | 354 ° С | 434 & deg; С | 399 ° С | 372 ° С |
Таблица 2: Овеп температурный профиль. 6 Li печь работает при оптимальном потоке с перечисленными температурами.
| фаза | загрузка | охлаждение | накачка | |||
| Луч | охлаждение | перекачивающий | охлаждение | перекачивающий | охлаждение | перекачивающий |
| Отстройка от запертого перехода (МГц) | -28 | -28 | -5 | -5 | -2 | OFF |
| Интенсивность (я сидел) | 2 | 1 | 0,1 | 0,05 | 0,08 | OFF |
Таблица 3: фазы MOT свойства. Последовательность фаз MOT предназначена для максимального тысе число атомов, которые будут переданы в ODT.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Мы представляем экспериментальный протокол для параметрического охлаждения невзаимодействующого Ферми газа в оптической ловушке пересекла пучок. Критические шаги этого протокола включают в себя: Во-первых, оптически ловушке Ферми газ должен быть охлажден близко к вырожденной температуры за счет снижения глубины ловушки. Во-вторых, частота модуляции выбирается, что является резонансной с ангармонического составляющей удерживающего потенциала. В-третьих, интенсивность захвата пучка модулируется для охлаждения атомного облака и измерить зависимость энергии облака на время модуляции.
По сравнению с ловушкой понижающих схемами, параметрическая схема охлаждения обеспечивает селективный способ удаления атомов высокой энергии из оптической ловушки, не снижая глубину ловушки. Это помогает увеличить фазовую плотность и охладиться невзаимодействующей ферми-газ. Поскольку такое параметрическое охлаждение, как правило, анизотропно, он также обеспечивает удобный способ для изменения температуры анизотропии в квантовом газеэс.
Чтобы включить параметрическое охлаждение, текущий протокол требует газа Ферми вблизи температуры вырожденной в качестве отправной точки. Охлаждающий эффект также ограничен в осевом направлении потенциала захвата. Эти два ограничения вызваны конечным ангармонизму ODT перечеркнутого луча, сделанные гауссовых лазерных пучков в текущем протоколе. Чтобы продлить этот метод для различных видов атомов и применять его для более широкого диапазона температур, нам нужно увеличить ангармоничность удерживающего потенциала.
Мы предлагаем два усовершенствования для этого метода охлаждения. Во- первых, параметрическое охлаждение может быть реализован с помощью удерживающего потенциала с большим ангармонизмом во всех трех направлениях, таких как коробки ловушек 15 или степенные ловушки 16, который имеет потенциал , чтобы непосредственно охлаждать захваченных атомов из теплового состояния в вырожденном режиме без требующее снижение оптической ловушки навсе. Во- вторых, периодически встряхивая потенциал оптического захвата через ОСО 17, мы можем синтезировать оптическую ловушку с большой ангармонизмом с использованием метода Флоке 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).
