Introduction
בשני העשורים האחרונים, טכניקות קירור שונות פותחו ליצירת בוזה-איינשטיין (BEC) ו להתנוון גזי פרמי (DFG) מפני אדים חמים אטומיים 1, 2, 3, 4, 5. BEC ו DFG הם שלבי הרומן של עניין שקיימים טמפרטורות נמוכות מאוד, בדרך כלל מיליונית המעלה מעל האפס המוחלט טמפרטורה, הרבה מתחת לאלו בדרך כלל נמצא על כדור הארץ או בחלל. כדי להשיג בטמפרטורות נמוכות כאלה, שיטות הקירור ביותר להסתמך על הפחתת פוטנציאל לכידה כדי evaporatively לקרר אטומים. עם זאת, התכנית להורדה גם מקטינה את שיעור ההתנגשות של האטומים, אשר מגביל את יעילות הקירור כאשר הגז מגיע משטר הקוונטים 6. במאמר זה, אנו מציגים שיטה "גירוש" אל evaporatively לקרר גז פרום קר בתוך ODT ללאהורדת העומק מלכודת. שיטה זו מבוססת על המחקר שנערך לאחרונה שלנו של פרמטרי קירור 7, מראה כמה יתרונות לעומת התוכניות להורדת 7, 8, 9.
הרעיון המרכזי של תכנית פרמטרית הוא להעסיק את anharmonicity של ODT-הקרן חצתה, מה שהופך את האטומים החמים ליד קצה הפוטנציאל הלכיד להרגיש את התדרים לכידים הנמוכים יותר האטומים הקרים במרכז. anharmonicity זה מאפשר האטומים החמים יגורשו סלקטיבי מהמלכודת כאשר ויסות פוטנציאל הלכידה בתדירויות תהודה עם אטומי בעלי האנרגיה גבוהה.
פרוטוקול הניסוי של קירור פרמטרית דורש גז טרום מקורר noninteracting פרום ליד הטמפרטורה המנוונת. כדי ליישם פרוטוקול זה, אפנן acousto אופטיים (AOM) משמש לווסת את עוצמת קרני לכידה ידי controlling אפנון תדר, עומק וזמן. כדי לאמת את אפקט הקירור, הענן האטום הוא נחקר על ידי הדמיה הקליטה של זמן של הטיסה (TOF), שבו קרן לייזר התהודה מאירה את הענן האטום ואת הצל הקליטה הוא נתפס על ידי מכשיר תשלום מצמידים מצלמה (CCD). מאפייני הענן, כגון מספר האטום, אנרגיה, טמפרטורה, נקבעים על ידי צפיפות הטור. כדי לאפיין את אפקט הקירור, אנו מודדים את התלות של אנרגיות ענן על פי האפנון השונה.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
הערה: פרוטוקול זה דורש מנגנון אטום קרים במיוחד בנוי הבית כולל את הציוד הבא: שני לייזרים דיודה חלל חיצוני (ECDL), התקנה נעילה עבור ECDL לקזז תדירות נעילה 10, בלייזר סיב עבור ODT, גידול AOM עבור אפנון עוצמת הלייזר , מערכת אנטנת רדיו תדר (RF) עם מחולל מקור ומגבר כוח, מערכת הדמיה קליטה עם מצלמת CCD, תוכנת מחשב עבור תזמון רכישת רצף ונתונים (DAQ), תוכנת מחשב עבור ניתוח ועיבוד נתוני הדמיה, זוג אלקטרומגנטים עבור שדות מגנטיים MOT והטיית, וכן בתא ואקום ultrahigh כולל תנור 6 Li אדי וכן זימן איטי (שמוצג באיור 1).
זהירות: שלושה לייזרים של כוחות באורכי גל שונים משמשים. אנא להתייעץ גיליונות נתוני בטיחות לייזר רלוונטי ולבחור את משקפי בטיחות לייזר הנכון.
1. תזמון המשךrol
הערה: כל רצפי תזמון נשלטים על ידי כרטיס 128 ערוץ PCI DAQ באמצעות תוכנית מלאה העיתוי. הרזולוציה של רצף העיתוי הוא 100 מיקרו-שניות. תוכניות בקרת המכשור כמה משמשים לשליטה בהגדרות של מכשירים, כגון גנרטור פונקציה שרירותית לייזר סיב (AFG), ODT AFG, גנרטור הדופק שרירותי (APG), AFG אפנון פרמטרית, מרבב MOT, מחולל RF, וכו.
- פתח את תוכנית מלאה העיתוי ואת תוכניות שליטה על מכשירים.
הערה: התכנית מלאת תזמון שולחת TTL (היגיון טרנזיסטור טרנזיסטור) אותות למסופים המלאים להרצת הקבצים המלאה עיתוי. כמה מכשירים מחוברים למחשב ידי GPIB (IEEE 488) לשליטה בזמן אמת. - כתוב את קובץ התזמון הניסוי וכן להגדיר את הפרמטרים תזמון כמפורט בטבלה 1.
הערה: לאחר רצף MOT העיתוי מודגם גם על ידי איור 2. 2. מצלמת CCD כן - הפעל את נהג מצלמת CCD והתכנית לשליטתה. הגדר את מצלמת CCD כדי velocimetry תמונת חלקיקים (PIV) מצב 11. קבע את זמן החשיפה CCD ל 5 ms.
הערה: במצב PIV מקטין את פער הזמן בין מסגרת האות ועיון, אשר מגדילה את יחס אות לרעש של ההדמיה הקליטה. - השתמש טריגר חיצוני לשלוט בחשיפת CCD
הערה: בפעם ההדק CCD מפורט בטבלה 1. - הכנת לייזר MOT
הערה: ההתקנה האופטית ותוצאות רלוונטיות של שיטת DLCM מוצגות הפנית 10.- הפעילו את התנור תא גז אטומי 6 Li ולחמם עד 340 מעלות צלזיוס.
- לחמם את לייזר נעילה AOM עבור 1 h.
- הפעל את בקר נעילת תדר ליזר ולפתוח את התוכנה שלה. הפעילו את אפנון הסורג הנוכחי לייזר של ECDL בתוכנה.
הערה: תדירות אפנון משרעת של אפנון צורם מוגדרים 5 הרץ ו 1.0 V בהתאמה. תדירות אפנון משרעת של אפנון הנוכחי מוגדרים 100 kHz ו 0.0015 עמ V בהתאמה לצמצם את linewidth לייזר 10. - הפעילו את פליטת ECDL.
הערה: אור הלייזר עובר דרך ההתקנה MOT אופטי ומגיע בתא ואקום הניסוי. - שנה מעט את הנוכחית של ליזר ECDL ידני לכוון את תדר הליזר עד אות שגיאת הנעילה של קו 6 Li D 2 הוא ציין, כפי שמוצג 3B איור.
- הגדר את נקודת נעילת תוכנות שליטה על 2 2 S 1/2 (F = 3/2) → מעבר 2 2 P 3/2 (ראה 3a הדמוי, 3B). ואז לנעול את תדר הלייזר למעבר זה, ולהתאים את נקודת הנעילה למרכז המעבר 10.
הערה: לאחר תדר הליזר נעול, נעילת אות השגיאה מציגה את תנודות קטנות בנקודת המנעול המתאימה התנודות בתדירות מסביב לנקודת הנעילה.
- הכנת לייזר Imaging
הערה: ההתקנה האופטית ותוצאות רלוונטיות של שיטת הנעילה לקזז מוצגי ההפניה 10.- הפעל את מחולל אותות RF לקזז נעילה.
- הפעילו את אפנון של הסורג, ולהגדיל את משרעת אפנון 2 V.
- חזור על תהליך כוונון התדר ב-3.1.5 3.1.4.. כדי לקבל את אות השגיאה פועמת בתדר ליזר במשקף נתח ספקטרום RF.
- נעילת תדר הלייזר לאות הפועם של קיזוז נעילה באמצעות שני מודולים משוב PID.
הערה: לאחר תדר הליזר נעול, הספקטרום של האות הפועמת בספקטרום RF יפסיק בנקודת הנעילה.
- הפעל על APGואת AOM קרן הדמיה.
- הגדר את משך הדופק הדמיה כדי 10 מיקרו-שניות, וקבע את שעת הפרדה בין שתי המסגרות הדמיה כדי 5.5 ms.
- הגדר את עוצמת קרן הדמיה לכ 0.3 ישבתי, שבו ישבתי = 2.54 mW / cm 2 הוא עוצמת הקליטה הרוויה של קו 2 6 Li D.
- מקור Atom איטי
- הפעל את המחממים בתנור.
- אחרי הטמפרטורות בתנור להגיע לאזור התפעולי (עיין בטבלה 2), להפעיל מאווררי הקירור עבור זימן איטי. ואז לאט להגביר את הזרם של Turn איטי כדי 9.2 A. על הנוכחי של שני סלילי מוצלב 7 A ו- 1 בהתאמה.
הערה:התפלגות הטמפרטורה של התנור המפורט בטבלה 2 ממוטב עבור collimation ואת משך חיים של המקור האטום 12. מיקומו של המחממים על התנור מוצג באיור 4. - בטל את חסימת קרן ליזר זימן האיטית על ידי פתיחת התריס האטומי ידנית. הגדר את התדירות של קרן הלייזר 192 MHz אדום-detuned עם 2 2 S 1/2 (F = 3/2) → 2 2 P 3/2 המעבר.
הערה: עם ההגדרה הזאת, את המהירות של האטומים מואטת מ 1400 מ '/ s ל 100 מ' / s. זימן איטי מוצג באיור 5.
- Gradient שדה מגנטי
הערה: מכשיר זה משתמש זוג סלילי בשליטת מעגל מתג H-גשר לייצר או שדה מגנטי אנטי-הלמהולץ או הלמהולץ. הסלילים הם מקוררים מים כדי למנוע התחממות יתר.- לאט לאט להפעיל את זרימת המים 6 גל / min.
- הגדר את H-גשר עבור תצורת השדה המגנטי אנטי-הלמהולץ ידי הפעלת תוכנית מלאה התזמון עם קובץ התזמון טעינת MOT.
- הפעל את ספקי הכח המגנטים, ולהגדיר את הזרם של כל סליל כ 18 באמצעות התכנית המלאה שלה, אשר יוצרת שיפוע שדה מגנטי של כ 22 G / סנטימטר עבור MOT.
הערה: MOT סטטי הוא ציין בתא הניסוי לאחר שיפוע השדה המגנטי מופעלת.
- MOT Dynamic
הערה: ההתקנה האופטית של MOT 6 Li מכילה שלושה זוגות של נגד הפצת קורות MOT עם כל הזוגות מאונכים אחד לשנייה. כל קרן MOT כוללת קרן קירור ואת קרן repumping. עוצמות ותדירות detunings של קורות, אשר נשלטים על ידי AOMs, הן מגוונות עבור שלושת השלבים. מתחי שליטת AOMs נקבעים באמצעות מעגלים מרבב בפיקודו של מערכת בקרת עיתוי. הפרמטרים לשלושה שלבים מפורטים בטבלה 3. הנחה האופטיתמתוך קורות MOT מוצג באיור 6.- טען, לקמפל ולהריץ את קובץ תזמון הניסיוני בתכנית מלאת תזמון על לולאה עם תוכנת השליטה. עיתוי הניסוי מתחיל עם שלב טעינת MOT. מעקב אחר אותות הקרינה MOT של גלאי האור להגיע 2 V, אשר מציין סביב 10 9 אטומים MOT.
הערה: הקרינה של MOT נאספה על ידי עדשה עם זווית מרחבית של כ 10 -4 rad. מספר אטום טעינת השלב יכול להיות מחושב לפי השיטה ב Reference 13. - השתמש התריס האופטי כדי לחסום את קורות האטה לפני שלב הטעינה מסתיים.
הערה: התזמון של תריס קרן האטה גם תחת שליטה של עיתוי הניסוי, אשר מופיע בטבלה 1. - עוצמות סט ותדירות detunings של קרני לייזר MOT לפי טבלה 3 עבור שלב הקירור.
הערה: לאחר שלב הקירור, הטמפרטורה שלMOT מצטמצם לכ 300 μK. - עבור שלב השאיבה, תכנית ניסוי תזמון קובץ לכבות את קורות repumping עם AOM.
הערה: שלב שאיבת משאבות כל האטומים לתוך מדינות hyperfine הנמוכות 2 2 S 1/2 (F = 1/2). - כבה את קורות MOT ולהעביר את MHz לייזר בתדר 30 מתחת תהודה המעבר האטומית ידי AOM, ולחסום את האור דולף מן AOMs בתריסים אופטי.
הערה: לאחר שלב MOT, כל דליפה של אור התהודה לענן האטומי תוביל לאובדן אטום. התזמון של הבקרה AOM ו תריס קרן MOT הם כל המפורטים בטבלה 1. - לאחר MOT הדינמי, לרכוש את מסגרות הדמיה מהמצלמה. קבל את ההדמיה הקליטה של MOT.
הערה: המספר האטומי של MOT הוא כ 10 7 לאחר שלב השאיבה. תמונת קליטה טיפוסית של MOT מוצגת באיור א 7.
- טען, לקמפל ולהריץ את קובץ תזמון הניסיוני בתכנית מלאת תזמון על לולאה עם תוכנת השליטה. עיתוי הניסוי מתחיל עם שלב טעינת MOT. מעקב אחר אותות הקרינה MOT של גלאי האור להגיע 2 V, אשר מציין סביב 10 9 אטומים MOT.
- מלכודת דיפול אופטית
הערה: ODT הוא הכלי העיקרי ליצירת גזים פרמו קר במיוחד. על מנת ליצור ODT עמוק, לייזר סיב עם כוח פליטה 100 W באורך גל nm 1064 משמש. ההתקנה של ODT מוצגת באיור 8.- הפעילו את זרימת המים לקירור מרוקן קרן לייזר.
- קבע את מתח בקרת AOM ODT ל 1 V ידני. הפעילו את סיב לייזר עם כוח פליטה 13 W.
- בדוק את אופטיקה ODT עם הצופה אור אינפרא אדום, ולהסיר אבק עם זרימת גז ארגון.
הערה: אבק על אופטיקה יכול לשנות את הפרופיל המרחבי של ODT, ולגרום לחוסר יציבות של ODT. - צו את AFG לייזר סיב ליצור הדופק לייזר באמצעות תוכנית מלאה AFG.
הערה: הפלט של הדופק לייזר מופעלת על ידי עיתוי הניסוי, ושעת ההתחלה של דופק זה מוגדר 14 מילישניות לפני סיום שלב הטעינה MOT. Pulsמלא דואר רצף מוצג באיור 1, ואת העיתוי מפורט בטבלת 1. - הגדרה ידנית של המתח מלא AOM ODT ל 8 V (80% מכוח RF הרווי).
הערה: כוח RF המרבי של נהג AOM צריכה להיות מוגבל ל 80% מהכח הרווי כדי להפחית את השפעת עידוש תרמית. - רוכש את התמונות הקליטות של MOT ו ODT מהמצלמה.
הערה: בדוק את החפיפה של MOT ו ODT באמצעות הדמית הקליטה שלהם. איור 7b מציג תמונות קליטה טיפוסיות של MOT ו ODT, בהתאמה.
- שדה מגנטי Bias וספין שדה RF ערבוב
הערה: על מנת ליצור גז פרום אינטראקציה, שדה מגנטי הטיה בכיוון האנכי מוחל לכוון את ים -wave אורך פיזור.- הגדר את H-גשר בתוכנית העיתוי הניסוי כך שינויי תצורה השדה המגנטי מ-הלמהולץ אנטי להלמהולץ.
הערה: הלםסלילי הולץ ליצור את השדה המגנטי הטיה עבור כוונון אינטראקציה interatomic. - הגדר את השדה המגנטי להטיית 330 G בערוץ 2 ו 527.3 G בערוץ 3 של תוכנית מלאה מגנטים.
- לתכנת את רצף תזמון הניסוי כדי לטאטא את השדה המגנטי מ 0 ז 330 G לאחר MOT כבויה.
הערה: לטאטא שדה מגנטי זה מכינה אינטראקציות חלשות 6 Li פרום גז קירור באידוי סטנדרטי. - לתכנת לטאטא שדה מגנטי מ 330 G ל 527 G עבור noninteracting פרום גז 14.
הערה: רצף השדה המגנטי מן 6.2.1-6.2.4. מוצג באיור 1, ואת העיתוי מפורט בטבלה 1. - החלת דופק RF רועש ליצור תערובת 50:50 של שתי מדינות hyperfine הנמוכות 2 2 S 1/2 (F = 1/2, מ F = ± 1/2) של 6 Li.
- כוון את תדר הלייזר נעול התהודה עם האטומים המצויים527.3 G (מקביל למעבר 2 2 S 1/2 (F = 1/2, מ F = -1/2) → 2 2 P 3/2 בשדה מגנטי נמוך) על ידי שינוי תדר פלט של אות RF גֵנֵרָטוֹר.
הערה: תדירות התהודה למקסימום את מספר האטום של הדמיה הקליטה, אשר משמש כדי להדריך את התאמת התדר. רק האטומים למטה הספין הם צלמו להציג את הענן האטום מכיוון 50:50 תערובות הספין משמשות לצורך הניסוי.
- הגדר את H-גשר בתוכנית העיתוי הניסוי כך שינויי תצורה השדה המגנטי מ-הלמהולץ אנטי להלמהולץ.
- קירור באידוי ידי מלכודת הנמכה
הערה: קירור באידוי סטנדרטי משמש לקירור אטומי fermionic של 6 Li ליד המשטר המנוון. השלב הראשון של קירור באידוי נשלטת על ידי הדופק של לייזר סיב והשני נשלט על ידי AOM ODT. הגז פורם כמעט המנוון ישמש המדגם עבור קירור פרמטרית.- התחל את השלב הראשון של שנינות קירור באידויh תוכנת השליטה ידי פועם כוח לייזר סיב, אשר מגדילה את עומק מלכודת של ODT ל U 0, ואז חזרה 0.1 U 0 (U 0 הוא העומק מלכודת מלא עם כוח לייזר של 100 וואט). הזמן הכולל של שלב זה הוא 0.5 s.
הערה: משך הדופק המתאים U 0 צריכה להיות מוגבלת ל 0.5 s, כדי למנוע את אפקט עידוש תרמית. - תכנת את ODT AOM עם עקומה מעריכית כפי שמוצג באיור 1. לאחר השלב הראשון של קירור באידוי נגמר, לחכות 30 ms, ולאחר מכן להתחיל את השלב השני של קירור באידוי ידי הפחתת עומק מלכודת מ 0.1 U 0 כדי 0.01 U 0 דרך AOM ODT. הזמן הכולל של שלב זה הוא 1.5 s.
- רוכש את ההדמיה הקליטה של האטומים הקרים לאחר הקירור באידוי.
הערה: על 10 5 אטומים נותרים ODT לאחר קירור באידוי, אשר יכול להיות מחושב מןתמונה קליטה.
- התחל את השלב הראשון של שנינות קירור באידויh תוכנת השליטה ידי פועם כוח לייזר סיב, אשר מגדילה את עומק מלכודת של ODT ל U 0, ואז חזרה 0.1 U 0 (U 0 הוא העומק מלכודת מלא עם כוח לייזר של 100 וואט). הזמן הכולל של שלב זה הוא 0.5 s.
- אפנון עומק מלכודת
- חכו 100 מילישניות לאחר סריקה מגנטית 527.3 G. לווסת את עומק מלכודת עם AOM ODT ידי U (m t) = 0.01 U 0 (1 + δ cos (ω m t m)), שבו δ הוא עומק אפנון ו ω מ 'הוא אפנון תדר. הגדר את אפנון בזמן t m בתוכנית מלאה AFG אפנון פרמטרית. רצף הזמן של האפנון מוצג באיור 1.
הערה: זהו צעד מפתח של יישום קירור פרמטרית. - לתכנת את APG כדי לשחרר את האטומים מן ODT ידי קורות כיבוי לכידה בפתאומיות. תנו גז להרחיב באופן בליסטי עבור 300 מיקרו-שניות לפני יישום הדמיה הקליטה.
הערה: הרחבת בליסטיים משמשת עם הדמית קליטת TOF כדי לקבל את בטמפהrature של האטומים הקרים. - רוכש את התמונה הקליטה של האטומים הקרים לאחר קירור פרמטרית.
- חכו 100 מילישניות לאחר סריקה מגנטית 527.3 G. לווסת את עומק מלכודת עם AOM ODT ידי U (m t) = 0.01 U 0 (1 + δ cos (ω m t m)), שבו δ הוא עומק אפנון ו ω מ 'הוא אפנון תדר. הגדר את אפנון בזמן t m בתוכנית מלאה AFG אפנון פרמטרית. רצף הזמן של האפנון מוצג באיור 1.
- מדידת תלות בזמן
הערה: בעבודה הקודמת שלנו 7, מצאנו את תדירות אופטימיזציה של קירור פרמטרית להיות 1.45 ω x, כאשר x ω היא התדירות לכידה רדיאלי של ODT ב 0.01 U 0. שימוש בתדר זה, נוכל להסיר באנרגיה גבוהה אטום לאורך הכיוון הצירי סלקטיבי.- הגדר את עומק אפנון כדי δ = 0.5 באמצעות תוכנית מלאה AFG אפנון פרמטרית.
- השתמש בפונקציה מלאת טריגר החיצונית של AFG האפנון פרמטרית לשנות את זמן האפנון מן 0 ל 600 ms ידי שינוי מספרי מחזור האפנון.
הערה: עם הגדלת זמן אפנון, בגודל של הענן האטומי יופחת, במיוחד בכיוון הצירי. התוצאות הרלוונטיות מוצגות באיור 9. רוכש את מסגרות הדמיה מהמצלמה. שמור ולנתח את התמונות באמצעות תוכנית מלאה CCD.
הערה: מצלמת CCD משמשת כדי להקליט את ההדמיה הקליטה של האטומים הקרים, המהווה את כלי האבחון העיקריים של אטומים קרים.
3. 671 ננומטר הכנה לייזר
הערה: ECDL תדר יחיד 671 ננומטר עם כוח פלט 500 mW משמש ליצירת התקררות MOT וקורות לכידה. עוד 671 ננומטר ECDL של 35 mW משמש הדמיה קליטה. שיטת אפנון הנוכחי דיגיטלי ליזר (DLCM)מוחל על ייצוב תדר לייזר 10. רמות האנרגיה 6 Li הקשורים מוצגות איור 3 א. יציבות הטמפרטורה בחדר של C ° 20 ± 1 נדרשת יציבות אופטימלית של נעילה תדר הלייזר.
קליטת 4. הכנת הדמיה
הערה: האטומים נחקרו עם הדמיה קליטה, אשר צריך שתי מסגרות תמונה. האחת עם האטומים היא מסגרת האות, והשנייה בלי אטומים היא הייחוס.
5. אטומי קירור עם MOT
הערה: MOT היא שיטת קירור בשימוש נרחבת בניסויים אטומים קרים במיוחד. סעיף זה יוצר MOT של כמיליארד 6 Li אטומים בסביבות 300 μK.
7. קירור פרמטריים
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
שימוש בפרוטוקול זה, אנחנו לומדים את התלות של קירור פרמטרית על הזמן אפנון עם תדירות אפנון משרעת אופטימיזציה, אשר שניהם נקבעו בפרסום הקודם שלנו 7. אנחנו ראשונים להכין גז פרמי noninteracting של 6 אטומים ליתיום בשתי מדינות hyperfine הנמוכות ביותר עם טמפרטורה של T / T F ≈ 1.2. הנה, T F = (6N) 1/3 H ω / k B = 5.2 μK נקבע עם מספר אטום N = 1.7 × 10 5 לכל ספין ואת ω תדירות לכידת ממוצע הגיאומטרית = (ω x ω y ω z) 1 / 3 = 2π × (× 2250 2450 × 220) 1/3 הרץ, h הוא פלאנק מופחת קבוע, ו- B k הוא קבוע בולצמן. הזמן-תוצאות תלויות מוצגות איור 9 עם תדירות אפנון של 1.45ω x, ואת עומק אפנון של 0.5. תמונות קליטת TOF של העננים האטומיים (9 א איור) מראות ירידה משמעותית של גודל הענן הצירי עם הגדלת זמן האפנון, המציינת את הטמפרטורה המוחלטת מצטמצמת רף על ידי קירור פרמטרית.
עבור כמותית המתאר את אפקט הקירור, אנו משתמשים E (x, z) / E F כקובץ thermometry יעיל עבור גזים פרמו קר 7, כאשר E F היא אנרגית פרמי ו- E (x, z) הן אנרגיות הענן האטומיות רדיאלי וכיוונים ציריים בהתאמה. אנחנו קודם כל לחלץ את גודל הריבוע העצמאי ממוצע המספר (יימס) מהענן האטומי. אז מן נימס, אנו מחשבים E (x, z) / E F באיור 9ב. לאחר כ אפנון 500 ms, ה- E z / E F מצטמצם באופן משמעותי מן 1.80 כדי 0.90 ואת E x / E F גדל מעט מעט 1.20 כדי 1.25. המספרים האטומיים יורדים ב שיבוץ 9b איור מצביעים אטומים הם גורשו מן המלכודת. אנו מוצאים כי קירור פרמטרית משנה את האנרגיה האטומית ענן בצורה איזוטרופי, שבו האנרגיה בכיוון הצירי היא מתחת האנרגיה פרום בעוד אחד רדיאלי היא עדיין מעל אנרגית פרמי. יצוין כי האנרגיות שוויוניות הראשוניות צירי בכיוון רדיאלי (9b איור) מופקות על ידי מלכודת מהירות הורדה הזאת להחיל בסעיף 6.3. לאחר הקירור פרמטרית, האנרגיה בכיוון הצירית מצטמצמת משמעותית ואילו אנרגית רדיאלי משתנית בקושי. תוצאה זו מצביעה על האופן שבו קירור פרמטרית משנה את ענן האנרגיה הוא איזוטרופי. אפקט אנאיזוטרופיות זאת בשל העובדה כיanharmonicity הדומיננטי של ODT-קרן חצה הוא לאורך הכיוון הצירי 7. כזה מבחינת תרמודינמית דגימות אנאיזוטרופיות עלולות לשמש כדי לחקור תהליכי thermalization במערכת קוונטית רב-גוף אינטראקציה.
איור 1: מערכת ואקום ultrahigh. תא הוואקום של מנגנון האטום הקר במיוחד על IUPUI. 1. תנור, 2. זימן איטי, 3. סלילי מגנט, תא ניסוי 4. ו 5. מצלמת CCD. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.
איור 2: טיימינג רצף עבור קירור פרמטרית. העקום השחור הוא עיתוי כוח ליזר סיב. העקומה האדומה היא אחת oעיתוי F ODT AOM. עקומת ציאן מייצגת את השדה המגנטי. העקומה הכתומה היא פולסים הדמית TOF. הציר האופקי מראה את ציר הזמן של כל שלב. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.
איור 3: רמות אטומיות של 6 Li ותדירות ליזר נעילת ספקטרה. א) 6 מעבר Li D 2 עבור קורה קירור repumping של MOT. ב) העקום הצהוב הוא ספקטרום הספיגה הרוויה ללא דופלר של 6 Li D 2 קו, ואת עקומת אדום היא אות שגיאת נעילה הקשורה. השיא השמאלי הוא S 2 2 1/2 (F = 3/2) → 2 2 P 3/2 המעבר, את האדם הנכון הוא 22 S 1/2 (F = 1/2) → 2 2 מעבר P 3/2, ואת האחד באמצע הוא האות המוצלב של שני המעברים. צלב המקף הוא נקודת המנעול. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.
איור 4: 6 Li בתנור. כל פרק שכותרתו מכיל סליל חימום מבוקר טמפרטורה עבור התנור ל פלט השטף האטומי הנדרש. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.
figu מחדש 5: זימן איטי. הסליל המוצלב הוא החלק האחרון של זימן איטי. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.
איור 6: פריסה אופטית MOT. ההתקנה האופטית עבור דור של MOT וקרן ליזר האטה. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.
איור 7: MOT ותמונות קליטת ODT. א) תמונת MOT לאחר שאיבת שלב. ב) התמונה של MOT ו ODT חפף."Target = '_upload / 55,409 / 55409fig7large.jpg _ blank'> אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של דמות זו.
איור 8: חצה-Beam פריסה אופטית ODT. זווית המעבר של ODT היא 2θ = 12 °. הלייזר סיב AFG שולט הפועם של לייזר, AFG ODT שולט מלכודת הורדת עקומת, ואת אפנון פרמטרית AFG שולט אפנון עוצמת הלייזר. קו מותן הקרן של שניהם קורות עומד 37 מיקרומטר. הקיטוב של הקרן הראשונה הוא אנכי ואת הקיטוב של הקרן השנייה הוא אופקי. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.
איור 9: זמןמדידת התלות של קירור פרמטרית. א) התמונות הקליטות של העננים האטומיים של פעמי אפנון שונות. ב) התלות של E (x, z) / E F בזמן אפנון (עיגולים כחולים הם עבור E z / E F ו הריבועים האדומים הם עבור E x / E F). דמות השיבוץ היא מספר האטום לעומת זמן אפנון. ברי שגיאה מייצגים סטיית תקן אחת. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.
| טעינת MOT על | נקודת התחלה |
| זמן טעינת MOT | 10 s |
| MOT קירור על | טעינת MOT off |
| זמן קירור MOT | 5 ms |
| MOT שאיבה על | MOT צינון |
| זמן שאיבת MOT | 100 מיקרו-שניות |
| MOT AOM off | MOT off (כמו שאיבת MOT כבוי) |
| תריס קרן זימן איטי על | 200 ms לפני טעינת MOT off |
| קרן MOT צמצם | את MOT |
| באידוי לייזר סיב הקירור שעת ההתחלה | 14 מילישניות לפני תום הטעינה MOT |
| ODT באידוי קירור שעת ההתחלה | 500 מילישניות לאחר הנחה MOT |
| זמן H-גשר מתג | את MOT |
| שדה מגנטי לטאטא שעת ההתחלה (בין 0 ל 330 G) | את MOT |
| שעת התחלת שדה מגנטי לטאטא (מ 330 ל 527.3G) | 2000 מילישניות לאחר הנחה MOT |
| שעת התחלת קירור פרמטריים | 2500 מילישניות לאחר הנחה MOT |
| זמן הדק דופק הדמיה | 3200 מילישניות לאחר הנחה MOT |
| זמן הדק CCD | 100 מיקרו-שניות לפני הזמן ההדק הדופק הדמיה |
טבלה 1: שליטה העיתוי ניסויית. טיימינג פרמטרי רצף לשלוט מכשירים ניסיוניים. רצף התזמון מתחיל ב טעינת MOT, קירור ו שאיבה. מחוץ MOT היא נקודת הזמן של אחרי שאיבת MOT.
| ערוץ 1 | ערוץ 2 | ערוץ 3 | ערוץ 4 | ערוץ 5 |
| 348 ° C | 354 ° C | 434 ° C | 399 ° C | 372 ° C |
טבלה 2: אובהפרופיל טמפרטורה n. תנור 6 Li פועל שטף אופטימלי עם הטמפרטורות הרשומות.
| שלב | טוען | הִתקָרְרוּת | שְׁאִיבָה | |||
| קֶרֶן | הִתקָרְרוּת | Repumping | הִתקָרְרוּת | Repumping | הִתקָרְרוּת | Repumping |
| Detuning מן המעבר נעול (MHz) | -28 | -28 | -5 | -5 | -2 | כבוי |
| Intensity (ישבתי) | 2 | 1 | 0.1 | 0.05 | 0.08 | כבוי |
טבלה 3: מאפייני שלבי MOT. רצף שלב MOT נועד למקסם המספר אטומי דואר שיועבר לתוך ODT.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
אנו מציגים פרוטוקול ניסוי עבור קירור פרמטרית של גז פרמי noninteracting במלכודת אופטית-קרן חצתה. השלבים הקריטיים של פרוטוקול זה כוללים: ראשית, גז פרמי האופטית-לכודים צריך להיות מקורר קרוב הטמפרטורה המנוונת ידי הפחתת העומק מלכודת. שנית, תדר אפנון נבחר כי הוא תהודה עם רכיב anharmonic של פוטנציאל הלכידה. שלישית, עוצמת קרן הלכידה היא מווסתת כדי לקרר את הענן האטום ולמדוד את התלות של אנרגית הענן על זמן האפנון.
בהשוואת הערכה להורדת המלכודת, ערכת הקירור פרמטרית מספקת דרך סלקטיבית כדי להסיר אטומים באנרגיה גבוהה מהמלכודת האופטית מבלי להשפיל את העומק מלכודת. זה עוזר להגדיל את צפיפות שלב ו לקרר גז פרמי noninteracting. בגלל קירור פרמטרית כזה הוא בדרך כלל איזוטרופי, זה גם מספק שיטה נוחה לשנות אנאיזוטרופיה טמפרטורת גז קוונטיםes.
כדי לאפשר קירור פרמטרית, בפרוטוקול הנוכחי דורש גז פרום ליד הטמפרטורה המנוונת כנקודת ההתחלה. אפקט הצינון גם מוגבל בכיוון הצירי של פוטנציאל הלכידה. שתי מגבלות אלו נגרמות על ידי anharmonicity הסופי של ODT-הקרן חצתה כי נעשה על ידי קרן ליזר גאוס בפרוטוקול הנוכחי. כדי להאריך שיטה זו עבור מינים שונים אטומים ולהחיל אותו על טווח טמפרטורות גדול, אנחנו צריכים להגדיל את anharmonicity של פוטנציאל הלכידה.
אנו מציעים שני שיפורים עבור טכניקת הקירור הזה. ראשית, יכול להיות מיושם קירור פרמטרית עם פוטנציאל השמנה עם anharmonicity הגדול בכל שלושת כיוונים, כגון מלכודות תיבה 15 או גיסת כוח מלכודות 16, אשר יש לו את הפוטנציאל לקרר אטומי הלכודים ישירות מהמדינה התרמית לתוך המשטר המנוון ללא מחייב הורדת המלכודת האופטיתאת כל. שנית, על ידי טלטול פוטנציאל ההשמנה האופטי מעת לעת באמצעות AOM 17, אנחנו יכולים לסנתז את המלכודת האופטית עם anharmonicity הגדול בשיטת Floquet 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).
