Name: Chłodzenie optycznie uwięzionego ultrazimnego gazu Fermiego poprzez okresową jazdę (Wideo) | JoVE Journal
Uploaded: 2017-03-30T14:00:00.000+00:00
Duration: 11 min 21 s
Description: Odkryj metodę chłodzenia gazu Fermiego w pułapce optycznej poprzez okresową modulację głębokości pułapki. Technika ta umożliwia osiągnięcie temperatur rzędu mikrokelwinów z wysoką wydajnością.

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

Dziękujemy Ji Liu i Wen Xu za udział w eksperymentalnym przygotowaniu. Le Luo jest członkiem Indiana University Center for Spacetime Symmetries (IUCSS). Prace te były wspierane przez IUPUI i IUCRG.

UWAGA: Ten protokół wymaga domowej budowy ultrazimnego aparatu atomowego, w tym następującego sprzętu: dwa zewnętrzne lasery diodowe wnękowe (ECDL), konfiguracja blokująca dla ECDL offset frequency locking10, laser światłowodowy dla ODT, AOM do modulacji intensywności lasera, system antenowy o częstotliwości radiowej (rf) z generatorem źródła i wzmacniaczem mocy, absorpcyjny system obrazowania z kamerą CCD, program komputerowy do sekwencji czasowej i akwizycji danych (DAQ), program komputerowy do przetwarzania obrazów i analizy danych, para elektromagnesów do MOT i polaryzacyjnych pól magnetycznych oraz komora ultrawysokiej próżni zawierająca piec parowy 6Li i wolniejszy Zeemana (pokazany na rysunku 1).
Uwaga: Używane są trzy lasery o różnych mocach i długościach fal. Prosimy o zapoznanie się z odpowiednimi kartami charakterystyki laserowej i wybór odpowiednich laserowych okularów ochronnych.
1. Kontrola czasu
UWAGA: Wszystkie sekwencje czasowe są kontrolowane przez 128-kanałową kartę PCI DAQ za pomocą programu do kontroli taktowania. Rozdzielczość sekwencji czasowej wynosi 100 μs. Do sterowania ustawieniami przyrządów służy kilka programów sterujących oprzyrządowaniem, takich jak generator arbitralnych funkcji lasera światłowodowego (AFG), ODT AFG, generator impulsów arbitralnych (APG), modulacja parametryczna AFG, multiplekser MOT, generator rf itp.
<ol>
	<li>Otwórz program kontroli rozrządu i programy sterujące przyrządów. 
	UWAGA: Program do sterowania synchronizacją czasu wysyła sygnały TTL (logika tranzystor-tranzystor) do zacisków sterujących w celu uruchomienia plików kontroli czasu. Niektóre instrumenty są podłączone do komputera za pomocą GPIB (IEEE 488) w celu sterowania w czasie rzeczywistym.</li>
	<li>Napisz plik z chronometrażem eksperymentu i ustaw parametry pomiaru czasu zgodnie z tabelą 1. 
	UWAGA: Sekwencja pomiaru czasu po MOT jest również zilustrowana na rysunku 2.</li>
</ol>
2. Przygotowanie kamery CCD
UWAGA: Kamera CCD służy do rejestrowania obrazowania absorpcyjnego zimnych atomów, które jest głównym narzędziem diagnostycznym zimnych atomów.
<ol>
	<li>Włącz sterownik kamery CCD i jej program sterujący. Ustaw kamerę CCD w trybie prędkości obrazu cząstek (PIV)11. Ustaw czas ekspozycji CCD na 5 ms. 
	UWAGA: Tryb PIV zmniejsza odstęp czasu między sygnałem a ramką odniesienia, co zwiększa stosunek sygnału do szumu w obrazowaniu absorpcyjnym.</li>
	<li>Użyj zewnętrznego spustu, aby kontrolować ekspozycję CCD 
	UWAGA: Czas wyzwalania CCD jest podany w Tabeli 1.</li>
</ol>
3. Przygotowanie lasera 671 nm
UWAGA: ECDL o pojedynczej częstotliwości 671 nm i mocy wyjściowej 500 mW jest używany do generowania wiązek chłodzących i pułapkujących MOT. Kolejny ECDL 671 nm o mocy 35 mW jest używany do obrazowania absorpcyjnego. Do stabilizacji częstotliwości lasera stosowana jest cyfrowa metoda modulacji prądu laserowego (DLCM)10. Powiązane 6poziomów energii Li pokazano na rysunku 3a. Stabilność temperatury w pomieszczeniu na poziomie 20 ± 1 °C jest wymagana dla optymalnej stabilności blokowania częstotliwości lasera.
<ol>
	<li>Przygotowanie lasera MOT 
	UWAGA: Układ optyczny i odpowiednie wyniki metody DLCM przedstawiono w Odnośniku 10.
	<ol>
		<li>Włącz grzejnik parowy atomowy 6Li i podgrzej go do 340 °C.</li>
		<li>Rozgrzej laserowy AOM blokujący przez 1 godzinę.</li>
		<li>Włącz kontroler blokady częstotliwości lasera i otwórz jego oprogramowanie. Włącz siatkę laserową i modulację prądu ECDL w oprogramowaniu. 
		UWAGA: Częstotliwość modulacji i amplituda modulacji siatki są ustawione odpowiednio na 5 Hz i 1.0 V. Częstotliwość modulacji i amplituda modulacji prądu są ustawione odpowiednio na 100 kHz i 0,0015 Vpp, aby zmniejszyć szerokość linii lasera10.</li>
		<li>Włącz emisję ECDL. 
		UWAGA: Światło lasera przechodzi przez układ optyczny MOT i dociera do eksperymentalnej komory próżniowej.</li>
		<li>Nieznacznie wyreguluj prąd lasera ECDL ręcznie, aby dostroić częstotliwość lasera, aż do momentu zaobserwowania sygnału błędu blokady linii 6Li D2, jak pokazano na rysunku 3b.</li>
		<li>Ustaw punkt blokady w oprogramowaniu sterującym na przejście 22 S1/2 (F = 3/2) → 22P3/2 (patrz rysunki 3a, 3b). Następnie zablokuj częstotliwość lasera na tym przejściu i dostosuj punkt blokady do środka przejścia10. 
		UWAGA: Po zablokowaniu częstotliwości lasera sygnał błędu blokady pokazuje niewielkie wahania w punkcie blokady odpowiadające fluktuacji częstotliwości wokół punktu blokady.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Przygotowanie lasera obrazowego 
	UWAGA: Układ optyczny i odpowiednie wyniki metody blokowania offsetowego przedstawiono w Odnośniku 10.
	<ol>
		<li>Włącz generator sygnału rf z blokadą przesunięcia.</li>
		<li>Włącz modulację kraty i zwiększ amplitudę modulacji do 2 V.</li>
		<li>Powtórz proces dostrajania częstotliwości w 3.1.4.-3.1.5., aby uzyskać sygnał błędu bicia częstotliwości lasera w oscyloskopie i analizatorze widma RF.</li>
		<li>Zablokuj częstotliwość lasera do sygnału dudnienia blokady offsetowej za pomocą dwóch modułów sprzężenia zwrotnego PID. 
		UWAGA: Po zablokowaniu częstotliwości lasera widmo sygnału dudnienia w widmie RF zatrzyma się w punkcie blokowania.</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
4. Przygotowanie do obrazowania absorpcyjnego
UWAGA: Atomy są badane za pomocą obrazowania absorpcyjnego, które wymaga dwóch klatek obrazu. Pierwszy z atomami to układ sygnałowy, a drugi bez atomów to układ odniesienia.
<ol>
	<li>Włącz APG i wiązkę obrazowania AOM.</li>
	<li>Ustaw czas trwania impulsu obrazowania na 10 μs i ustaw czas separacji między dwiema ramkami obrazowania na 5,5 ms.</li>
	<li>Ustaw intensywność wiązki obrazowania na około 0.3Isat, gdzie siedziałem = 2.54 mW/cm2 to intensywność absorpcji nasyconej linii 6Li D2.</li>
</ol>
5. Chłodzenie atomów za pomocą MOT
UWAGA: MOT jest powszechnie stosowaną metodą chłodzenia w eksperymentach z ultrazimnymi atomami. Ta sekcja generuje MOT około miliarda 6atomów Li przy około 300 μK.
<ol>
	<li>Powolne źródło atomów
	<ol>
		<li>Włącz grzałki piekarnika.</li>
		<li>Gdy temperatura piekarnika osiągnie obszar roboczy (patrz Tabela 2), włącz wentylatory chłodzące dla Zeemana wolniej. Następnie powoli zwiększaj prąd wolniejszego do 9,2 A. Włącz prąd dwóch cewek zwrotnicy odpowiednio na 7 A i 1 A. 
		UWAGA: Rozkład temperatury pieca wymieniony w Tabeli 2 jest zoptymalizowany pod kątem kolimacji i żywotności źródła atomowego12. Położenie grzałek w piekarniku pokazano na rysunku 4.</li>
		<li>Odblokuj wolniejszą wiązkę laserową Zeemana ręcznie, otwierając migawkę atomową. Ustaw częstotliwość wiązki laserowej na 192 MHz z rozstrojeniem na czerwono za pomocą przejścia 22S1/2 (F = 3/2) → 22P3/2. 
		UWAGA: W tej konfiguracji prędkość atomów jest zmniejszona z 1400 m/s do 100 m/s. Wolniejszy Zeeman jest pokazany na rysunku 5.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Gradient pola magnetycznego 
	UWAGA: To urządzenie wykorzystuje parę cewek sterowanych przez obwód przełącznika mostka H do wytwarzania pola magnetycznego anty-Helmholtza lub Helmholtza. Wężownice są chłodzone wodą, aby zapobiec przegrzaniu.
	<ol>
		<li>Powoli włączaj przepływ wody do 6 galonów/min.</li>
		<li>Ustaw mostek H dla konfiguracji pola magnetycznego anty-Helmholtza, uruchamiając program kontroli czasu z plikiem czasu ładowania MOT.</li>
		<li>Włącz zasilacze magnesów i ustaw prąd każdej cewki na około 18 A za pomocą jej programu sterującego, który tworzy gradient pola magnetycznego około 22 G/cm dla MOT. 
		UWAGA: Po włączeniu gradientu pola magnetycznego w komorze doświadczalnej obserwuje się statyczny MOT.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Dynamiczny MOT 
	UWAGA: Układ optyczny 6Li MOT zawiera trzy pary przeciwbieżnie rozchodzących się wiązek MOT, przy czym wszystkie pary są prostopadłe do siebie. Każda belka MOT zawiera belkę chłodzącą i belkę pompującą. Natężenia i częstotliwości rozstrojenia wiązek, które są kontrolowane przez AOM, są zróżnicowane dla trzech faz. Napięcia sterujące AOM są ustawiane za pomocą obwodów multipleksera sterowanych przez system sterowania czasem. Parametry dla trzech faz podano w tabeli 3. Układ optyczny wiązek MOT pokazano na rysunku 6.
	<ol>
		<li>Załaduj, skompiluj i uruchom plik pomiaru czasu eksperymentu w programie do kontroli czasu w pętli z kontrolką oprogramowania. Czas eksperymentu rozpoczyna się od fazy ładowania MOT. Monitoruj sygnał fluorescencji MOT w fotodetektorze, aby osiągnął 2 V, co wskazuje na około 109 atomów w MOT. 
		UWAGA: Fluorescencja MOT jest zbierana przez soczewkę o kącie przestrzennym około 10-4 rad. Liczbę atomów fazy ładowania można obliczyć metodą opisaną w rysunku 13.</li>
		<li>Użyj migawki optycznej, aby zablokować wiązkę spowalniającą przed zakończeniem fazy ładowania. 
		UWAGA: Czas migawki światła zwalniającego jest również pod kontrolą czasu eksperymentu, który jest wymieniony w Tabeli 1.</li>
		<li>Ustaw intensywność i odstrojenie częstotliwości wiązek laserowych MOT zgodnie z tabelą 3 dla fazy chłodzenia. 
		UWAGA: Po fazie schładzania temperatura MOT jest obniżana do około 300 μK.</li>
		<li>W fazie pompowania zaprogramuj plik czasu eksperymentu, aby wyłączyć belki pompujące za pomocą AOM. 
		UWAGA: Faza pompująca pompuje wszystkie atomy do najniższych stanów nadsubtelnych 22S1/2 (F = 1/2).</li>
		<li>Wyłącz wiązki MOT i przesuń częstotliwość lasera o 30 MHz poniżej rezonansu przejścia atomowego przez AOM i zablokuj światło uciekające z AOM za pomocą przesłonić optycznych. 
		UWAGA: Po etapie MOT jakikolwiek wyciek światła rezonansowego do chmury atomowej spowoduje utratę atomów. Czas sterowania AOM i migawki belki MOT są wymienione w Tabeli 1.</li>
		<li>Po dynamicznym przeglądzie technicznym pobierz klatki obrazowania z kamery. Uzyskaj obrazowanie absorpcyjne MOT. 
		UWAGA: Liczba atomowa MOT wynosi około 107 po fazie pompowania. Typowy obraz absorpcyjny MOT pokazano na rysunku 7a.</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
6. Przygotowanie ultrazimnego gazu Fermiego z ODT
<ol>
	<li>Optyczna pułapka dipolowa 
	UWAGA: ODT jest głównym narzędziem do generowania ultrazimnych gazów Fermiego. W celu wygenerowania głębokiego ODT wykorzystuje się laser światłowodowy o mocy emisji 100 W przy długości fali 1064 nm. Konfiguracja ODT pokazano na rysunku 8.
	<ol>
		<li>Włącz przepływ wody w celu schłodzenia zrzutów wiązki laserowej.</li>
		<li>Ustaw napięcie sterujące ODT AOM na 1 V ręcznie. Włącz laser światłowodowy o mocy emisji 13 W.</li>
		<li>Sprawdź optykę ODT za pomocą wizjera światła podczerwonego i usuń kurz za pomocą przepływu argonu. 
		UWAGA: Kurz na optyce może zmienić profil przestrzenny ODT i spowodować niestabilność ODT.</li>
		<li>Wydaj poleć laserowi światłowodowemu AFG wygenerowanie impulsu laserowego za pomocą programu sterującego AFG. 
		UWAGA: Wyjście impulsu laserowego jest wyzwalane przez czas eksperymentu, a czas rozpoczęcia tego impulsu jest ustawiony na 14 ms przed końcem fazy ładowania MOT. Sterowanie sekwencją impulsów pokazano na rysunku 1, a czas podano w tabeli 1.</li>
		<li>Ręcznie ustaw napięcie sterujące ODT AOM na 8 V (80% nasyconej mocy RF). 
		UWAGA: Maksymalna moc RF sterownika AOM powinna być ograniczona do 80% mocy nasyconej, aby zmniejszyć efekt soczewkowania termicznego.</li>
		<li>Uzyskaj obrazy absorpcyjne MOT i ODT z kamery. 
		UWAGA: Sprawdź nakładanie się MOT i ODT poprzez ich obrazowanie absorpcyjne. Rysunek 7b przedstawia typowe obrazy absorpcyjne odpowiednio MOT i ODT.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Polaryzacja pola magnetycznego i mieszania spinów Pole RF 
	UWAGA: W celu wygenerowania oddziałującego gazu Fermiego, stosuje się polaryzacyjne pole magnetyczne w kierunku pionowym w celu dostrojenia długości rozpraszania fali s.
	<ol>
		<li>Ustaw mostek H w programie czasowym eksperymentu tak, aby konfiguracja pola magnetycznego zmieniła się z anty-Helmholtza na Helmholtz. 
		UWAGA: Cewki Helmholtza generują polaryzacyjne pole magnetyczne do dostrajania oddziaływań międzyatomowych.</li>
		<li>Ustaw polaryzacyjne pole magnetyczne na 330 G w kanale 2 i 527,3 G w kanale 3 programu sterującego magnesami.</li>
		<li>Zaprogramuj sekwencję czasową eksperymentu, aby omiatać pole magnetyczne od 0 G do 330 G po wyłączeniu MOT. 
		UWAGA: To przemiatanie pola magnetycznego przygotowuje słabo oddziałujący gaz 6Li Fermiego do standardowego chłodzenia wyparnego.</li>
		<li>Zaprogramuj przemiatanie pola magnetycznego od 330 G do 527 G dla nieoddziałującego gazu Fermiego class<sup="xref">14. 
		UWAGA: Sekwencja pola magnetycznego z 6.2.1-6.2.4. jest pokazany na rysunku 1, a czas jest podany w tabeli 1.</li>
		<li>Zastosuj hałaśliwy impuls RF, aby utworzyć mieszaninę 50:50 dwóch najniższych stanów nadsubtelnych 22S1/2 (F = 1/2, mF = ±1/2) 6 Li.</li>
		<li>Dostrój zablokowaną częstotliwość lasera rezonansową z atomami przy 527.3 G (odpowiadającej przejściu 22S1/2 (F = 1/2, mF = -1/2) → 22P3/2 przy niskim polu magnetycznym), zmieniając częstotliwość wyjściową generatora sygnału RF. 
		UWAGA: Częstotliwość rezonansowa maksymalizuje liczbę atomów obrazowania absorpcyjnego, które służy do kierowania regulacją częstotliwości. Tylko atomy spin-down są obrazowane w celu przedstawienia chmury atomowej, ponieważ w eksperymencie używane są mieszaniny spinowe 50:50.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Chłodzenie ewaporacyjne poprzez obniżanie syfonu 
	UWAGA: Standardowe chłodzenie wyparne służy do chłodzenia atomów fermionu 6Li w pobliżu reżimu zdegenerowanego. Pierwszy etap chłodzenia wyparnego jest kontrolowany przez impuls lasera światłowodowego, a drugi jest kontrolowany przez ODT AOM. Prawie zdegenerowany gaz Fermiego zostanie wykorzystany jako próbka do chłodzenia parametrycznego.
	<ol>
		<li>Rozpocznij pierwszy etap chłodzenia wyparnego za pomocą oprogramowania sterującego, pulsując mocą lasera światłowodowego, co zwiększa głębokość pułapki ODT do U0, a następnie z powrotem do 0,1U0 (U0 to pełna głębokość pułapki o mocy lasera 100 W). Całkowity czas tego etapu wynosi 0,5 s. 
		UWAGA: Czas trwania impulsu odpowiadający U0 powinien być ograniczony do 0,5 s, aby uniknąć efektu soczewkowania termicznego.</li>
		<li>Zaprogramuj ODT AOM z krzywą wykładniczą, jak pokazano na rysunku 1. Po zakończeniu pierwszego etapu chłodzenia wyparnego należy odczekać 30 ms, a następnie rozpocząć drugi etap chłodzenia wyparnego, obniżając głębokość syfonu z 0,1U0 do 0,01U0 za pomocą ODT AOM. Całkowity czas tego etapu to 1,5 s.</li>
		<li>Uzyskaj obrazowanie absorpcyjne zimnych atomów po schłodzeniu wyparnym. 
		UWAGA: Po schłodzeniu wyparnym w ODT pozostaje około 105 atomów, które można obliczyć na podstawie obrazu absorpcji.</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
7. Chłodzenie parametryczne
<ol>
	<li>Modulacja głębokości pułapki
	<ol>
		<li>Odczekaj 100 ms po przemiataniu magnetycznym do 527,3 G. Moduluj głębokość pułapki za pomocą ODT AOM o U(tm) = 0,01U0(1 + δcos(ωm tm)), gdzie δ to głębokość modulacji, a ωm to częstotliwość modulacji. Ustaw czas modulacji tm w programie sterującym modulacją parametryczną AFG. Sekwencja czasowa modulacji jest pokazana na rysunku 1. 
		UWAGA: Jest to kluczowy krok implementacji chłodzenia parametrycznego.</li>
		<li>Zaprogramuj APG tak, aby uwalniał atomy z ODT poprzez nagłe wyłączenie wiązek pułapkujących. Pozwól gazowi rozszerzać się balistycznie przez 300 μs przed zastosowaniem obrazowania absorpcyjnego. 
		UWAGA: Ekspansja balistyczna jest wykorzystywana z obrazowaniem absorpcyjnym TOF w celu uzyskania temperatury zimnych atomów.</li>
		<li>Uzyskaj obraz absorpcyjny zimnych atomów po schłodzeniu parametrycznym.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Pomiar zależności od czasu 
	UWAGA: W naszej poprzedniej pracy7, stwierdziliśmy, że zoptymalizowana częstotliwość chłodzenia parametrycznego wynosi 1,45ωx, gdzie ωx jest radialną częstotliwością pułapkowania ODT przy 0,01U0. Korzystając z tej częstotliwości, możemy selektywnie usuwać atomy o wysokiej energii wzdłuż kierunku osiowego.
	<ol>
		<li>Ustaw głębokość modulacji na δ = 0,5 za pomocą programu sterującego AFG do modulacji parametrycznej.</li>
		<li>Użyj funkcji sterowania zewnętrznym wyzwalaczem modulacji parametrycznej AFG, aby zmienić czas modulacji od 0 do 600 ms poprzez zmianę numerów cykli modulacji. 
		UWAGA: Wraz ze wzrostem czasu modulacji, rozmiar chmury atomowej będzie się zmniejszał, zwłaszcza kierunek osiowy. Odpowiednie wyniki przedstawiono na rysunku 9.</li>
		<li>Zbierz klatki obrazu z aparatu. Zapisz i przeanalizuj obrazy za pomocą programu sterującego CCD.</li>
	</ol>
	</li>
</ol>

<ol><li>Petrich, W., Anderson, M. H., Ensher, J. R., Cornell, E. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Stable%2C+tightly+confining+magnetic+trap+for+evaporative+cooling+of+neutral+atoms%5BTitle%5D)+AND+%22Phys.+Rev.+Lett%22%5BJournal%5D)">Stable, tightly confining magnetic trap for evaporative cooling of neutral atoms.</a> Phys. Rev. Lett. 74 (17), 3352(1995).</li>
<li>Ketterle, W., Druten, N. J. V. Evaporative cooling of trapped atoms. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aKetterle%2C+W+%22Advances+in+Atomic%2C+Molecular%2C+and+Optical+Physics%22">Advances in Atomic, Molecular, and Optical Physics</a>. Bederson, B., Walther, H., et al. 37, Academic Press 181-236 (2003).</li>
<li>Truscott, A. G., Strecker, K. E., McAlexander, W. I., Partridge, G. B., Hulet, R. G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Observation+of+Fermi+pressure+in+a+gas+of+trapped+atoms%5BTitle%5D)+AND+%22Science%22%5BJournal%5D)">Observation of Fermi pressure in a gas of trapped atoms.</a> Science. 291 (5513), 2570-2572 (2001).</li>
<li>DeMarco, B., Jin, D. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Onset+of+Fermi+degeneracy+in+a+trapped+atomic+gas%5BTitle%5D)+AND+%22Science%22%5BJournal%5D)">Onset of Fermi degeneracy in a trapped atomic gas.</a> Science. 285 (5434), 1703-1706 (1999).</li>
<li>Granade, S. R., Gehm, M. E., O'Hara, K. M., Thomas, J. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((All-optical+production+of+a+degenerate+Fermi+gas%5BTitle%5D)+AND+%22Phys.+Rev.+Lett%22%5BJournal%5D)">All-optical production of a degenerate Fermi gas.</a> Phys. Rev. Lett. 88 (12), 120405(2002).</li>
<li>Luo, L., et al. <a target="_blank" href="http://iopscience.iop.org/article/10.1088/1367-2630/8/9/213">Evaporative cooling of unitary Fermi gas mixtures in optical traps.</a> New J. Phys. 8 (9), 213(2006).</li>
<li>Li, J., Liu, J., Xu, W., de Melo, L., Luo, L. <a target="_blank" href="https://arxiv.org/abs/1512.01277">Parametric cooling of a degenerate Fermi gas in an optical trap.</a> Phys. Rev. A. 93 (4), 041401(2016).</li>
<li>Poli, N., Brecha, R. J., Roati, G., Modugno, G. <a target="_blank" href="http://journals.aps.org/pra/abstract/10.1103/PhysRevA.65.021401">Cooling atoms in an optical trap by selective parametric excitation.</a> Phys. Rev. A. 65 (2), 021401(2002).</li>
<li>Kumakura, M., Shirahata, Y., Takasu, Y., Takahashi, Y., Yabuzaki, T. <a target="_blank" href="http://journals.aps.org/pra/abstract/10.1103/PhysRevA.68.021401">Shaking-induced cooling of cold atoms in a magnetic trap.</a> Phys. Rev. A. 68 (2), 021401(2003).</li>
<li>Li, J., et al. <a target="_blank" href="https://www.osapublishing.org/ao/abstract.cfm?uri=ao-54-13-3913">Sub-megahertz frequency stabilization of a diode laser by digital laser current modulation.</a> Appl. Opt. 54 (13), 3913-3917 (2015).</li>
<li>Hamamatsu Photonics Deutschland GmbH. <a target="_blank" href="http://www-bl20.spring8.or.jp/detectors/manual/HiPic91.pdf">HiPic user manual</a>. , (2016).</li>
<li>Luo, L. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=%22Entropy+and+superfluid+critical+parameters+of+a+strongly+interacting+Fermi+gas+%5BPh.D.+%5D%22">Entropy and superfluid critical parameters of a strongly interacting Fermi gas [Ph.D. thesis]</a>. , Duke University. (2008).</li>
<li>Ries, M. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=%22A+magneto-optical+trap+for+the+preparation+of+a+three-component+Fermi+gas+in+an+optical+lattice+%5BDiploma+%5D%22">A magneto-optical trap for the preparation of a three-component Fermi gas in an optical lattice [Diploma thesis]</a>. , University of Heidelberg. (2010).</li>
<li>Bartenstein, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Precise+determination+of+6Li+cold+collision+parameters+by+radio-frequency+spectroscopy+on+weakly+bound+molecules%5BTitle%5D)+AND+%22Phys.+Rev.+Lett%22%5BJournal%5D)">Precise determination of 6Li cold collision parameters by radio-frequency spectroscopy on weakly bound molecules.</a> Phys. Rev. Lett. 94 (10), 103201(2005).</li>
<li>Gaunt, A. L., Schmidutz, T. F., Gotlibovych, I., Smith, R. P., Hadzibabic, Z. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Bose-Einstein+condensation+of+atoms+in+a+uniform+potential%5BTitle%5D)+AND+%22Phys.+Rev.+Lett%22%5BJournal%5D)">Bose-Einstein condensation of atoms in a uniform potential.</a> Phys. Rev. Lett. 110 (20), 200406(2013).</li>
<li>Bruce, G. D., Bromley, S. L., Smirne, G., Torralbo-Campo, L., Cassettari, D. <a target="_blank" href="https://arxiv.org/abs/1109.1502">Holographic power-law traps for the efficient production of Bose-Einstein condensates.</a> Phys. Rev. A. 84 (5), 053410(2011).</li>
<li>Roy, R., Green, A., Bowler, R., Gupta, S. <a target="_blank" href="https://arxiv.org/abs/1601.05103">Rapid cooling to quantum degeneracy in dynamically shaped atom traps.</a> Phys. Rev. A. 93 (4), 043403(2016).</li>
<li>Bukov, M., D'Alessio, L., Polkovnikov, A. <a target="_blank" href="https://arxiv.org/abs/1407.4803">Universal high-frequency behavior of periodically driven systems: from dynamical stabilization to Floquet engineering.</a> Adv. Phys. 64 (2), 139-226 (2015).</li>
</ol>

Autorzy nie mają nic do ujawnienia. Cytaty o konkretnych produktach i firmach służą wyłącznie wyjaśnieniu i nie stanowią poparcia autorów.

Przedstawiamy eksperymentalny protokół parametrycznego chłodzenia nieoddziałującego gazu Fermiego w pułapce optycznej o skrzyżowanej wiązce. Kluczowe kroki tego protokołu obejmują: Po pierwsze, optycznie uwięziony gaz Fermiego musi zostać schłodzony do temperatury zdegenerowanej poprzez obniżenie głębokości pułapki. Po drugie, wybierana jest częstotliwość modulacji, która współbrzmi ze składową anharmoniczną potencjału pułapkowania. Po trzecie, intensywność wiązki pułapki jest modulowana w celu schłodzenia chmury atomowe...

W ciągu ostatnich dwóch dekad opracowano różne techniki chłodzenia do generowania kondensatów Bosego-Einsteina (BEC) i zdegenerowanych gazów Fermiego (DFG) z gorących par atomowych1,2,3,4,5. BEC i DFG to nowe fazy materii, które występują w ekstremalnie niskich temperaturach, zwykle jednej milionowej stopnia powyżej temperatury zera bezwzględnego, znacznie poniżej tych, które normalnie występują na Ziemi lub w kosmosie. Aby uzyskać tak niskie temperatury, większość metod chłodzenia opiera się na obniżeniu potencjału pułapkowania w celu wyparnego schładzania atomów. Jednak schemat obniżania zmniejsza również szybkość zderzeń atomów, co ogranicza wydajność chłodzenia, gdy gaz osiąga reżim kwantowy6. W tym artykule przedstawiamy metodę "wydalania" polegającą na odparowującym schładzaniu ultrazimnego gazu Fermiego w ODT bez obniżania głębokości pułapki. Ta metoda opiera się na naszym niedawnym badaniu chłodzenia parametrycznego7, wykazując kilka zalet w porównaniu ze schematami obniżania7,8,9.
Kluczową ideą schematu parametrycznego jest wykorzystanie anharmoniczności ODT o skrzyżowanej wiązce, co sprawia, że gorętsze atomy znajdujące się blisko krawędzi potencjału pułapkowania odczuwają niższe częstotliwości pułapkowania niż chłodniejsze atomy w środku. Ta anharmoniczność pozwala na selektywne wyrzucanie gorętszych atomów z pułapki podczas modulowania potencjału pułapki przy częstotliwościach rezonujących z atomami o wysokiej energii.
Eksperymentalny protokół chłodzenia parametrycznego wymaga wstępnie schłodzonego, nieoddziałującego gazu Fermiego w pobliżu temperatury zdegenerowanej. Aby zaimplementować ten protokół, stosuje się modulator akustyczno-optyczny (AOM) do modulowania intensywności wiązek pułapkowych poprzez kontrolowanie częstotliwości, głębokości i czasu modulacji. Aby zweryfikować efekt chłodzenia, chmura atomowa jest badana za pomocą absorpcyjnego obrazowania czasu przelotu (TOF), gdzie rezonansowa wiązka laserowa oświetla chmurę atomową, a cień absorpcyjny jest rejestrowany przez kamerę urządzenia ze sprzężeniem ładunkowym (CCD). Właściwości chmury, takie jak liczba atomów, energia i temperatura, są określane przez gęstość kolumny. Aby scharakteryzować efekt chłodzenia, mierzymy zależność energii chmur od różnych czasów modulacji.

<table><tbody><tr><td>500 mW 671 nm ECDL</td><td>Toptica</td><td>TA Pro</td><td>Ilość: 1</td></tr><tr><td>35 mW 671 nm ECDL</td><td>Toptica</td><td>DL-100</td><td>Ilość: 1</td></tr><tr><td>671 nm AOM</td><td>Isomet</td><td>1206C</td><td>Ilość: 3</td></tr><tr><td>671 nm AOM Sterownik</td><td>Isomet</td><td>630C-110</td><td>Ilość: 3</td></tr><tr><td>100 W 1,064 nm CW laser</td><td>IPG fotonika</td><td>YLR-100-1064-LP</td><td>Ilość: 1</td></tr><tr><td>1,064 nm AOM</td><td>IntraAction</td><td>ATM-804DA6B&nbsp;</td><td>Ilość: 1</td></tr><tr><td>Sterownik AOM 1,064 nm</td><td>IntraAction</td><td>ME-805EH&nbsp;</td><td>Ilość: 1</td></tr><tr><td>Generator funkcji arbitralnych</td><td>Agilent&nbsp;</td><td>33120A</td><td>Ilość: 3</td></tr><tr><td>Cyfrowa tablica I/O</td><td>United Electronic Industries</td><td>PD2-DIO-128</td><td>Ilość: 1</td></tr><tr><td>Platforma projektowania systemu</td><td>National Instruments</td><td>LabVIEW</td><td>Ilość: 1</td></tr><tr><td>Analogowe urządzenie wyjściowe napięcia</td><td>Pomiar Computing</td><td>USB-3104</td><td>Ilość: 1</td></tr><tr><td>Kamera CCD</td><td>Hamamatsu</td><td>Orca R2</td><td>Ilość: 1</td></tr><tr><td>Arbitralny generator impulsów</td><td>Quantum Composer</td><td>9618+</td><td>Ilość: 1</td></tr><tr><td>Analogowe urządzenie wyjściowe napięcia</td><td>Pomiar Obliczenia</td><td>USB-3104</td><td>Ilość: 1</td></tr><tr><td>20 A zasilacz</td><td></td><td></td><td>Ilość: 1</td></tr><tr><td>10 A zasilacz</td><td></td><td></td><td>Ilość: 1</td></tr><tr><td>120 A</td><td></td><td></td> zasilacz <td>Ilość: 2</td></tr><tr><td>wentylatory</td><td></td><td></td> <td>chłodząceIlość: zależy od konstrukcji aparatury</td></tr><tr><td>671 nm Lustra</td><td></td><td></td><td>Ilość: zależy od konstrukcji aparatury</td></tr><tr><td>671 nm Ilość płytek</td><td></td><td></td> półfalowych<td>: zależy od konstrukcji aparatury</td></tr><tr><td>671 nm Ilość płytek</td><td></td><td></td> ćwierćfalowych<td>: zależy od konstrukcji aparatury</td></tr><tr><td>500 mW Ilość migawki</td><td></td><td></td> wiązki<td>: zależy od konstrukcji aparatury</td></tr><tr><td>671 nm Soczewki</td><td></td><td></td><td>Ilość: zależy od konstrukcji aparatury</td></tr><tr><td>Izolator</td><td></td><td></td> Faradaya <td>Ilość: 2, po jednym dla każdego</td></tr><tr><td>rozdzielacza</td><td></td><td></td> wiązki polaryzacyjnej ECDL 671 nm <td>Ilość: zależy od konstrukcji aparatury</td></tr><tr><td>Fotodetektor</td><td>Thorlabs</td><td>SM05PD1A</td><td>Ilość: 1</td></tr><tr><td>Multiplekser&nbsp;</td><td>Analog Devices</td><td>ADG409</td><td>Ilość: 1</td></tr><tr><td>multiplekser&nbsp;</td><td>Analog Devices</td><td>ADG408</td><td>Ilość: 2</td></tr><tr><td>Soczewka</td><td></td><td></td> płasko-wklęsła 1,064 nm <td>Ilość: 1 dla reduktora wiązki</td></tr><tr><td>1,064 nm soczewka</td><td></td><td></td> płasko-wypukła <td>Ilość: 1 dla reduktora wiązki</td></tr><tr><td>1,064 nm Lustra</td><td></td><td></td><td>Ilość: zależy od konstrukcji aparatury</td></tr><tr><td>1,064 nm Płytki półfalowe</td><td></td><td></td><td>Ilość: zależy od konstrukcji</td></tr> <tr><td>aparaturyIlość soczewek</td><td></td><td></td> 1,064 nm<td>: zależy od konstrukcji aparatury</td></tr><tr><td>1,064 nm Polaryzator</td><td></td><td></td><td>cienkowarstwowy Ilość: 1</td></tr><tr><td>100 W, 1,064 nm Ilość zrzutu</td><td></td><td></td> wiązki<td>: 1</td></tr><tr><td>100 W, 1,064 nm Ilość miernika</td><td></td><td></td> mocy<td>: 1</td></tr><tr><td>Generator funkcyjny</td><td>RF Rigol</td><td>DG4162</td><td>Ilość: 1</td></tr><tr><td>Mini-obwody</td> <td>wzmacniacza mocy RF</td><td>ZHL-100W-GAN +</td> <td>Ilość: 1</td></tr></tbody></table>

chłodzenie optycznie uwięzionego ultrazimnego gazu fermiego poprzez okresową jazdę

Cooling an Optically Trapped Ultracold Fermi Gas by Periodical Driving

Prezentujemy metodę chłodzenia zimnego gazu Fermiego poprzez parametryczne sterowanie ruchami atomowymi w optycznej pułapce dipolowej o skrzyżowanej wiązce (ODT). Nasza metoda wykorzystuje anharmoniczność ODT, w której gorętsze atomy na krawędzi pułapki odczuwają anharmoniczne składowe potencjału pułapkowego, podczas gdy chłodniejsze atomy w środku pułapki odczuwają harmoniczną. Modulując głębokość pułapki za pomocą częstotliwości, które rezonują ze składowymi anharmonicznymi, selektywnie wzbudzamy gorętsze atomy z pułapki, jednocześnie utrzymując chłodniejsze atomy w pułapce, generując chłodzenie parametryczne. Ten eksperymentalny protokół zaczyna się od pułapki magnetooptycznej (MOT), która jest ładowana przez wolniejszy Zeeman. Wstępnie schłodzone atomy w MOT są następnie przenoszone do ODT, a polaryzacyjne pole magnetyczne jest stosowane w celu wytworzenia oddziałującego gazu Fermiego. Następnie obniżamy potencjał pułapkowania, aby przygotować zimny gaz Fermiego w pobliżu zwyrodniałej temperatury. Następnie przemiatamy pole magnetyczne do nieoddziałującego reżimu gazu Fermiego, w którym chłodzenie parametryczne może przejawiać się poprzez modulację intensywności optycznych wiązek pułapkujących. Okazuje się, że parametryczny efekt chłodzenia silnie zależy od częstotliwości i amplitud modulacji. Dzięki zoptymalizowanej częstotliwości i amplitudzie mierzymy zależność energii chmury od czasu modulacji. Obserwujemy, że energia chmury zmienia się w sposób anizotropowy, gdzie energia kierunku osiowego jest znacznie zmniejszana przez sterowanie parametryczne. Efekt chłodzenia jest ograniczony do kierunku osiowego, ponieważ dominująca anharmoniczność ODT wiązki skrzyżowanej przebiega wzdłuż kierunku osiowego. Na koniec proponujemy rozszerzenie tego protokołu na potencjał pułapkowania o dużej anharmoniczności we wszystkich kierunkach, co stanowi obiecujący schemat chłodzenia gazów kwantowych za pomocą zewnętrznego sterowania.

Korzystając z niniejszego protokołu, badamy zależność chłodzenia parametrycznego od czasu modulacji przy zoptymalizowanej częstotliwości i amplitudzie modulacji, które zostały określone w naszej poprzedniej publikacji7. W pierwszej kolejności przygotowujemy nieoddziałujący gaz Fermiego z atomów 6Li w dwóch najniższych stanach hiperprecyzyjnych w temperaturze T/TF ≈ 1,2. Tutaj TF = (6N)1/3...

Prezentujemy parametryczną metodę chłodzenia ultrazimnego gazu Fermiego w optycznej pułapce dipolowej o skrzyżowanej wiązce. Metoda ta selektywnie usuwa wysokoenergetyczne atomy z pułapki poprzez okresowe modulowanie głębokości pułapki częstotliwościami, które rezonują z anharmonicznymi składowymi potencjału pułapkowania.

Chłodzenie optycznie uwięzionego ultrazimnego gazu Fermiego poprzez okresową jazdę

We present a cooling method for a cold Fermi gas by parametrically driving atomic motions in a crossed-beam optical dipole trap (ODT). Our method employs ...

Ogólnym celem niniejszej procedury jest schłodzenie optycznie uwięzionego ultrazimnego gazu Fermiego do reżimu mikrokelwinowego poprzez okresową modulację natężenia wiązki lasera pułapkującego. Ta metoda chłodzenia pozwala odpowiedzieć na kluczowe pytania w badaniach nad ultrazimnymi atomami, takie jak generowanie gazów kwantowych o niższej temperaturze do symulacji zjawisk nowych w naturze. Główną zaletą chłodzenia parametrycznego jest możliwość optycznego chłodzenia ultrazimnych fermionów z bardzo wysoką wydajnością chłodzenia.Ta skomplikowana procedura zostanie przeprowadzona przez naszego pracownika postdoktorskiego, Jiaminga Li. Aparatura do tego eksperymentu jest już przygotowana. Składa się ona z kilku kluczowych komponentów, zaczynając od pieca. Piec będzie dostarczał lit-6 z wymaganym strumieniem.Po opuszczeniu pieca lit przechodzi przez spowalniacz Zeemana i cewki przejścia. Stamtąd atomy docierają do komory eksperymentalnej. Komora znajduje się pomiędzy cewkami generującymi pole magnetyczne typu Helmholtza lub anty-Helmholtza.Fotodioda monitoruje sygnał fluorescencyjny przez okno komory. Znajduje się tam również kamera CCD do obrazowania chmur atomowych przez filtr odcin

cooling-an-optically-trapped-ultracold-fermi-gas-by-periodical-driving

Research

JoVE Journal

Engineering

Inżynieria

Poniższe podejście do konfiguracji szczegółowo opisuje pułapkowanie optyczne nanocząstek dielektrycznych o niskiej mocy z wykorzystaniem podwójnego nanootworu w cienkiej warstwie metalu.

Optyczne pułapkowanie nanocząsteczek

Pamięć echa gradientowego to protokół do przechowywania optycznych stanów kwantowych światła w zespołach atomowych. Pamięć kwantowa jest kluczowym elementem wzmacniacza kwantowego, który może rozszerzyć zakres kwantowej dystrybucji klucza. Przedstawiamy działanie schematu w przypadku implementacji w 3-poziomowym zespole atomowym.

Pamięć kwantowa echa gradientowego w ciepłej parze atomowej

Skalowalność i rozdzielczość konwencjonalnych technik manipulacji optycznej są ograniczone przez dyfrakcję. Obchodzimy granicę dyfrakcji i opisujemy metodę optycznego transportu nanocząstek przez chip za pomocą złotej powierzchni z wzorem ścieżki blisko rozmieszczonych rezonatorów plazmonicznych w kształcie litery C.

Produkcja i eksploatacja nanooptycznego przenośnika taśmowego

Omówiono proces produkcji i eksperymentalne techniki charakterystyki pomp jednoelektronowych opartych na kropkach kwantowych krzemowo-metalowo-tlenkowo-półprzewodnikowych.

Kropki kwantowe krzemowo-metalowo-tlenkowo-półprzewodnikowe do pompowania pojedynczych elektronów

Przedstawiono protokół do wystrzeliwania i stabilnego zatrzymywania wybranych mikrocząstek dielektrycznych w powietrzu.

Pułapka optyczna obciążenia mikrocząstek dielektrycznych w powietrzu

Prezentujemy protokół tworzenia w czasie rzeczywistym filmu pakietu molekularnej fali rotacyjnej przy użyciu wysokorozdzielczego zestawu do obrazowania eksplozji kulombowskiej.

Bezpośrednie obrazowanie ultraszybkiej rotacji molekularnej sterowanej laserem

Ten artykuł przedstawia metodologię mikrofabrykacji dla powierzchniowych pułapek jonowych, jak również szczegółową eksperymentalną procedurę wychwytywania jonów iterbu w środowisku o temperaturze pokojowej.

Eksperymentalne metody wychwytywania jonów za pomocą mikrofabrykowanych powierzchniowych pułapek jonowych

Opisujemy procedurę optycznego uwięzienia mikrocząsteczek w nanoplazmonicznej sieci optycznej.

Uwięzienie mikrocząstek w nanoplazmonicznej sieci optycznej

Plazmoniczne nanopręty złota mogą być uwięzione w cieczach i obracane z częstotliwością kHz za pomocą pęsety optycznej o polaryzacji kołowej. Wprowadzenie narzędzi do analizy dynamiki Browna i spektroskopii rozpraszania światła prowadzi do powstania potężnego systemu do badań i zastosowań w wielu dziedzinach nauki.

Budowa i działanie napędzanego światłem układu silnika obrotowego Gold Nanorod

Przedstawiona tutaj jest metoda pomiaru dwójłomności okien próżniowych poprzez maksymalizację liczby fluorescencji emitowanych przez chłodzone dopplerowskie jony 25Mg+ w pułapce jonowej. Dwójłomność okien próżniowych zmieni stany polaryzacji lasera, które można skompensować poprzez zmianę kątów azymutalnych zewnętrznych płytek falowych.

Pomiar in situ dwójłomności okna próżniowego przy użyciu fluorescencji 25Mg+

Niniejszy artykuł opisuje metodę eksperymentalną osiągania długotrwałego, stabilnego uwięzienia i precyzyjnego pozycjonowania dużych metalicznych cząstek w powietrzu za pomocą dynamicznej, łódkowatej pułapki fotoforetycznej. System ten umożliwia kontrolowane manipulowanie, które nadaje się do badań interakcji plazmonowych.

Optyczne uwięzienie dużych metalicznych cząstek w powietrzu za pomocą pułapki 'łódka' z bezpośrednio rysowanymi ściankami bocznymi

Odkryj metodę chłodzenia gazu Fermiego w pułapce optycznej poprzez okresową modulację głębokości pułapki. Technika ta umożliwia osiągnięcie temperatur rzędu mikrokelwinów z wysoką wydajnością.

Chłodzenie optycznie uwięzionego ultrazimnego gazu Fermiego poprzez okresową jazdę

Przeglądaj więcej filmów