Name: Arrefecimento um ultracold Fermi Gas opticamente Preso por condução Periódico (Vídeo) | JoVE Journal
Uploaded: 2017-03-30T14:00:00.000+00:00
Duration: 11 min 21 s
Description: Aprenda o método de resfriamento paramétrico para gases de Fermi ultrafrios em armadilha óptica. Esta técnica modula periodicamente a intensidade do laser para remover átomos de alta energia, alcançando temperaturas no regime microKelvin com alta eficiência.

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Agradecemos a Ji Liu e Wen Xu por se envolverem na configuração experimental. Le Luo é membro do Centro de Simetrias do Espaço-Tempo da Universidade de Indiana (IUCSS). Este trabalho foi apoiado pela IUPUI e IUCRG.

<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>

Os autores não têm nada a divulgar. Citações específicas de produtos e empresas são apenas para fins de esclarecimento e não são um endosso dos autores.

Apresenta-se um protocolo experimental para o arrefecimento paramétrico de um gás não interagem de Fermi em uma armadilha óptico de feixe cruzado. Os passos críticos deste protocolo incluem: Em primeiro lugar, o gás de Fermi opticamente preso tem de ser arrefecido perto da temperatura degenerada, diminuindo a profundidade armadilha. Em segundo lugar, uma frequência de modulação é escolhida que é ressonante com o componente anarmônico do potencial de aprisionamento. Em terceiro lugar, a intensidade do feixe de trapping é...

Nas últimas duas décadas, várias técnicas de arrefecimento ter sido desenvolvido para gerar Bose-Einstein (BEC) e degeneram gases Fermi (DFG) a partir de vapores quentes atómicas 1, 2, 3, 4, 5. BEC e DFG são novas fases de matéria que existem em temperaturas extremamente baixas, normalmente um milionésimos de um grau acima da temperatura do zero absoluto, muito inferiores às normalmente encontradas na Terra ou no espaço. Para obtenção de tais temperaturas baixas, a maioria dos métodos de arrefecimento confiaram na redução do potencial de aprisionamento para arrefecer por evaporação os átomos. No entanto, o esquema de redução também diminui a taxa de colisão dos átomos, o que limita a eficiência da refrigeração quando o gás atinge o regime quântico 6. Neste artigo, apresentamos um método de &quot;expulsar&quot; para refrigerar evaporativo um gás ultracold Fermi em uma ODT semdiminuindo a profundidade armadilha. Este método baseia-se na nossa recente estudo paramétrico de arrefecimento 7, mostrando várias vantagens em comparação com os regimes de abaixamento 7, 8, 9. A ideia-chave do esquema paramétrico é empregar o anarmonicidade da ODT-beam cruzados, o que torna os átomos mais quentes perto da borda do potencial trapping sentir as freqüências de captura mais baixos do que os átomos mais frios no centro. Isto permite que os átomos de anarmonicidade mais quentes para ser expelido selectivamente a partir da armadilha quando modulando o potencial prendendo a frequências de ressonância com os átomos de alta energia. O protocolo experimental de arrefecimento paramétrico requer uma pré-arrefecida de gás não interagem Fermi perto da temperatura degenerada. Para implementar este protocolo, um modulador acústico-óptico (OMA) é usado para modular a intensidade dos feixes de armadilhagem por controlling a modulação de frequência, profundidade e tempo. Para verificar o efeito de arrefecimento, a nuvem atómica é sondado por imagiologia de absorção de tempo-de-voo (TOF), onde um feixe de laser de ressonância ilumina a nuvem atómica e a sombra absorção é captada por um dispositivo de carga acoplada (CCD). As propriedades das nuvens, tais como o número de átomos, de energia, e da temperatura, é determinada pela densidade coluna. Para caracterizar o efeito de arrefecimento, medimos a dependência das energias de nuvem sobre as várias vezes de modulação.

<table><tbody><tr><td>500 mW 671 nm ECDL</td><td>Toptica</td><td>TA Pro</td><td>Quantidade: 1</td></tr><tr><td>35 mW 671 nm ECDL</td><td>Toptica</td><td>DL-100</td><td>Quantidade: 1</td></tr><tr><td>671 nm AOM</td><td>Isomet</td><td>1206C</td><td>Quantidade: 3</td></tr><tr><td>671 nm AOM Driver</td><td>Isomet</td><td>630C-110</td><td>Quantidade: 3</td></tr><tr><td>100 W 1.064 nm</td><td>CW laser IPG fotônica</td><td>YLR-100-1064-LP</td><td>Quantidade: 1</td></tr><tr><td>1.064 nm AOM</td><td>IntraAction</td><td>ATM-804DA6B&nbsp;</td><td>Quantidade: 1</td></tr><tr><td>Driver AOM de 1.064 nm</td><td>IntraAction</td><td>ME-805EH&nbsp;</td><td>Quantidade: 1</td></tr><tr><td>Gerador de Funções Arbitrárias</td><td>Agilent&nbsp;</td><td>33120A</td><td>Quantidade: 3</td></tr><tr><td>Placa de I/O Digital</td><td>United Electronic Industries</td><td>PD2-DIO-128</td><td>Quantidade: 1</td></tr><tr><td>Plataforma de Design de Sistema</td><td>National Instruments</td><td>LabVIEW</td><td>Quantidade: 1</td></tr><tr><td>Dispositivo de Medição de Tensão Analógico</td><td>Computação USB-3104</td><td></td><td>Quantidade: 1</td></tr><tr><td>Câmera CCD</td><td>Hamamatsu</td><td>Orca R2</td><td>Quantidade: 1</td></tr><tr><td>Gerador de Pulso Arbitrário</td><td>Quantum Composer</td><td>9618+</td><td>Quantidade: 1</td></tr><tr><td>Dispositivo de Medição de Medição de Tensão Analógica</td><td></td><td>USB-3104</td><td>Quantidade: 1</td></tr><tr><td>Fonte de alimentação</td><td></td><td></td> de 20 A <td>Quantidade: 1</td></tr><tr><td>Fonte de alimentação</td><td></td><td></td> de 10 A <td>Quantidade: 1</td></tr> Fonte <tr><td>de alimentação</td><td></td><td></td> de 120 A <td>Quantidade: 2</td></tr><tr><td>Ventiladores de Refrigeração</td><td></td><td></td><td>Quantidade: depende do design do aparelho</td></tr><tr><td>671 nm Quantidade de espelhos</td><td></td><td></td><td>: depende do design do aparelho</td></tr><tr><td>671 nm Quantidade de placa</td><td></td><td></td> de meia onda<td>: depende do design do aparelho</td></tr><tr><td>671 nm Quantidade de placa</td><td></td><td></td> de quarto de onda<td>: depende do design do aparelho</td></tr><tr><td>500 mW Quantidade do obturador</td><td></td><td></td> do feixe<td>: depende do design do aparelho</td></tr><tr><td>Lentes de 671 nm</td><td></td><td></td><td>Quantidade: depende do design do aparelho</td></tr><tr><td>Quantidade do Isolador</td><td></td><td></td> Faraday<td>: 2, um para cada ECDL</td></tr><tr><td>671 nm Quantidade do Divisor de Feixe</td><td></td><td></td><td>Polarizador: depende do design do aparelho</td></tr><tr><td>Fotodetector</td><td>Thorlabs</td><td>SM05PD1A</td><td>Quantidade: 1</td></tr><tr><td>Multiplexador&nbsp;</td><td>Analog Devices</td><td>ADG409</td><td>Quantidade: 1</td></tr><tr><td>Multiplexador&nbsp;</td><td>Analog Devices</td><td>ADG408</td><td>Quantidade: 2</td></tr><tr><td>lentes</td><td></td><td></td> plano-côncavas de 1.064 nm <td>Quantidade: 1 para redutor</td></tr><tr><td>de feixe 1.064 nm lente</td><td></td><td></td> plano-convexa <td>Quantidade: 1 para redutor de feixe</td></tr><tr><td>1.064 nm Quantidade de espelhos</td><td></td><td></td><td>: depende do design do aparelho</td></tr><tr><td>1.064 nm Quantidade de placas</td><td></td><td></td> de meia onda<td>: depende do design</td></tr> <tr><td>do aparelhoLentes</td><td></td><td></td> de 1.064 nm <td>Quantidade: depende do design do aparelho</td></tr><tr>Polarizador <td></td><td></td> de<td>filme fino de 1.064 nm</td><td>Quantidade: 1</td></tr><tr><td>100 W, 1.064 nm Quantidade de despejo</td><td></td><td></td> de feixe<td>: 1</td></tr><tr><td>100 W, 1.064 nm Quantidade do medidor</td><td></td><td></td> de potência<td>: 1</td></tr><tr><td>Gerador de função RF</td><td>Rigol</td><td>DG4162</td><td>Quantidade: 1</td></tr><tr><td>Mini-circuitos</td> <td>do amplificador de potência RF</td><td>ZHL-100W-GAN+</td><td>Quantidade: 1</td></tr></tbody></table>

arrefecimento um ultracold fermi gas opticamente preso por condução periódico

Cooling an Optically Trapped Ultracold Fermi Gas by Periodical Driving

Apresentamos um método de resfriamento para um gás de Fermi frio conduzindo parametricamente movimentos atômicos em uma armadilha de dipolo óptico de feixe cruzado (ODT). Nosso método emprega a anarmonicidade do ODT, no qual os átomos mais quentes na borda da armadilha sentem os componentes anarmônicos do potencial de aprisionamento, enquanto os átomos mais frios no centro da armadilha sentem o harmônico. Ao modular a profundidade da armadilha com frequências que são ressonantes com os componentes anarmônicos, excitamos seletivamente os átomos mais quentes para fora da armadilha, mantendo os átomos mais frios na armadilha, gerando resfriamento paramétrico. Este protocolo experimental começa com uma armadilha magneto-óptica (MOT) que é carregada por um Zeeman mais lento. Os átomos pré-resfriados no MOT são então transferidos para um ODT e um campo magnético de polarização é aplicado para criar um gás de Fermi em interação. Em seguida, reduzimos o potencial de aprisionamento para preparar um gás Fermi frio perto da temperatura degenerada. Depois disso, varremos o campo magnético para o regime de não interação do gás de Fermi, no qual o resfriamento paramétrico pode se manifestar modulando a intensidade dos feixes de aprisionamento óptico. Descobrimos que o efeito de resfriamento paramétrico depende fortemente das frequências e amplitudes de modulação. Com a frequência e amplitude otimizadas, medimos a dependência da energia da nuvem no tempo de modulação. Observamos que a energia da nuvem é alterada de forma anisotrópica, onde a energia da direção axial é significativamente reduzida pela condução paramétrica. O efeito de resfriamento é limitado à direção axial porque a anarmonicidade dominante do ODT de feixe cruzado é ao longo da direção axial. Finalmente, propomos estender este protocolo para os potenciais de aprisionamento de grande anarmonicidade em todas as direções, o que fornece um esquema promissor para resfriamento de gases quânticos usando acionamento externo.

Usando este protocolo, estudar a dependência do arrefecimento paramétrico sobre o tempo de modulação com a modulação de frequência de amplitude e optimizado, ambos os quais foram determinados na nossa publicação anterior 7. Em primeiro lugar, preparar um gás não interagem de Fermi de 6 átomos de Li nas duas menores estados hiperfinas com uma temperatura de T / T F ≈ 1,2. Aqui, V F = (6N) <sup...

Apresentamos um método de condução paramétrico para resfriar um gás Fermi ultrafrio em uma armadilha de dipolo óptico de feixe cruzado. Este método remove seletivamente átomos de alta energia da armadilha, modulando periodicamente a profundidade da armadilha com frequências que são ressonantes com os componentes anarmônicos do potencial de aprisionamento.

Arrefecimento um ultracold Fermi Gas opticamente Preso por condução Periódico

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 ...

O objetivo geral deste procedimento é resfriar um gás Fermi ultrafrio aprisionado por meio de luz até a faixa de microKelvin, modulando periodicamente a intensidade do feixe a laser de aprisionamento. Esse método de resfriamento pode abordar questões fundamentais na pesquisa com átomos ultrafrios, como a geração de gases quânticos em temperaturas mais baixas para simular fenômenos de novas na natureza. A principal vantagem do resfriamento paramétrico é que ele pode resfriar opticamente gases Fermi ultrafrios, alguns seis átomos, com eficiência de resfriamento muito elevada.Este procedimento complicado será implementado pelo nosso pós-doutorando Jiaming Li. O aparelho para este experimento já está em posição. Existem vários componentes principais, começando pelo forno. O forno emitirá lítio-6 no fluxo necessário.Após sair do forno, o lítio passa por um desacelerador Zeeman e por bobinas de cruzamento. A partir daí, os átomos alcançam a câmara do experimento. A câmara está posicionada entre bobinas que possuem um campo magnético do tipo Helmholtz ou anti-Helmholtz.Um fotodiodo monitora o sinal fluorescente através da janela da câmara. Há também uma câmera CCD para imagens das nuvens

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