Introduction
In den letzten zwei Jahrzehnten wurden zur Erzeugung von Bose-Einstein - Kondensaten (BEC) und degenerieren Fermigase (DFG) aus heissem Atomdämpfen 1, 2, 3, 4, 5 verschiedene Kühlverfahren entwickelt. BEC und DFG sind neue Phasen der Materie, die in extrem niedrigen Temperaturen existieren, in der Regel ein Millionstel Grad über dem absoluten Nullpunkt der Temperatur, die weit unter denen normalerweise auf der Erde oder im Weltraum gefunden. Zur Erzielung solch niedrigen Temperaturen, verlassen sich die meisten Kühlverfahren auf das Fallenpotential Absenken verdunstungsgekühltem die Atome zu kühlen. Jedoch nimmt die Absenkung Schema auch die Kollisionsrate der Atome, die den Kühlwirkungsgrad begrenzt , wenn das Gas die Quantenregime 6 erreicht. In diesem Artikel stellen wir ein „Austreiben“ Verfahren zur Verdampfung eines ultrakalten Fermi-Gas in einem ODT zu kühlen, ohneAbsenken der Fallentiefe. Dieses Verfahren basiert auf unserer Studie parametrischen 7 Abkühlen mehrere Vorteile im Vergleich zu den Senken Schemata 7, 8, 9 zeigt.
Die Schlüsselidee des parametrischen Schemas ist die Anharmonizität des gekreuzt-beam ODT eingesetzt werden, die die heißeren Atome in der Nähe der Kante des Trapping-Potentials Frequenzen fühlen die untere Fang macht als die kälteren Atom in der Mitte. Dies ermöglicht die heißeren Anharmonizität Atome selektiv aus der Falle ausgestoßen werden, wenn das Fallenpotential bei Frequenzen resonant mit den Hochenergie-Atomen zu modulieren.
Das experimentelle Protokoll parametrischer Kühlung erfordert eine vorgekühlte nicht wechselwirkende Fermi Gas in der Nähe der degenerierten Temperatur. Um dieses Protokoll zu implementieren, ein akustooptischer Modulator (AOM) wird verwendet, um die Intensität der Strahlen, die durch Einfangen controllin zu moduliereng die Modulationsfrequenz, Tiefe und Zeit. Um zu verifizieren, ist die Kühlwirkung, die Atomwolke durch Absorption von Abbildungs time-of-flight (TOF) sondiert, wobei ein Resonanz Laserstrahl die Atomwolke und die Absorptions shadow beleuchtet wird durch eine ladungsgekoppelte Vorrichtung (CCD) Kamera aufgenommen. Die Trübungseigenschaften, wie beispielsweise die Atomzahl, die Energie und Temperatur werden durch die Säulendichte bestimmt. Um die Kühlwirkung zu charakterisieren, messen wir die Abhängigkeit der Energien Wolke auf den verschiedenen Modulationszeiten.
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Protocol
Hinweis: Dieses Protokoll erfordert eine Eigenbau ultrakalten Atom Vorrichtung mit folgenden Ausstattung: zwei externem Hohlraum Diodenlaser (ECDL), ein Verriegelungsaufbau für die ECDL Offset - Frequenz 10 blockiert, ein Faserlaser für den ODT, ein AOM für Laserintensitätsmodulation ein Hochfrequenz (HF) -Antenne System mit einem Quellengenerator und einem Leistungsverstärker, ein Absorptions-Abbildungssystem mit einer CCD-Kamera, ein Computerprogramm zum Sequenz und Datenerfassung (DAQ), ein Computerprogramm zur Bildverarbeitung und Datenanalyse-Timing, ein Paar von Elektromagneten für den MOT und Vormagnetisierungsfelder und eine Ultrahochvakuumkammer langsamer einen 6 Li und Dampfofen eines Zeeman einschließlich (in 1 gezeigt).
Achtung: Drei Laser unterschiedlicher Kräfte und Wellenlängen verwendet. Bitte beachten Sie die entsprechenden Laser-Sicherheitsdatenblätter und wählen die richtigen Laserschutzbrillen.
1. Timing-Control
HINWEIS: Alle Zeittaktsequenzen durch einen Kanal 128 PCI DAQ-Karte über ein Zeitsteuerprogramm gesteuert werden. Die Auflösung der Zeitsequenz ist 100 us. Mehrere Steuerprogramme Instrumentierungs die Einstellungen der Instrumente, wie beispielsweise Faserlaser beliebigen Funktionsgenerator (AFG), ODT AFG, willkürlichen Impulsgenerator (APG), parametrischer Modulations AFG, MOT Multiplexer, HF - Generator, usw. zu steuern , verwendet.
- Öffnen Sie das Timing-Steuerprogramm und die Steuerprogramme für die Instrumente.
HINWEIS: Das Zeitsteuerprogramm sendet TTL (Transistor-Transistor-Logik) Signale an die Steueranschlüsse für den Betrieb der Zeitsteuerdateien. Einige Instrumente sind mit dem Computer durch GPIB (IEEE 488) für die Echtzeitsteuerung. - Schreiben die experiment Zeitdatei und stellen Sie die Timing - Parameter , wie in Tabelle 1 aufgelistet.
HINWEIS: Die nach MOT Zeitsequenz auch durch Figur 2 veranschaulicht ist. 2. CCD-Kamera Vorbereitung - Schalten Sie den CCD-Kamera-Treiber und dessen Steuerprogramm. Stellen Sie die CCD - Kamera auf Particle Image Velocimetry (PIV) Modus 11. Stellen Sie die CCD-Belichtungszeit 5 ms.
HINWEIS: PIV-Modus reduziert die Zeit zwischen dem Signal und dem Referenzrahmen, der das Signal-zu-Rausch-Verhältnis des Absorptionsabbildungs erhöht. - Einen externen Trigger die CCD Belichtung steuern
HINWEIS: Die CCD - Triggerzeit ist in Tabelle 1 aufgeführt. - MOT Laser Vorbereitung
HINWEIS: Der optische Aufbau und relevante Ergebnisse der DLCM Methode wird in Referenz 10 dargestellt.- Schalten Sie die 6 Li Atomdampfzelle Heizung und erwärmen es bis zu 340 ° C.
- Sich aufzuwärmen den Laser Verriegelungs AOM für 1 h.
- Schalten Sie die Laserfrequenz Sperr-Steuerung und öffnet seine Software. Schalten Sie den Laser-Gitter und eine Strommodulation des ECDL in der Software.
HINWEIS: Die Modulationsfrequenz und die Amplitude der Gittermodulation bis 5 Hz und 1,0 V festgesetzt. Die Modulationsfrequenz und die Amplitude der Strommodulation auf 100 kHz und 0,0015 V pp gesetzt bzw. die Laser - Linienbreite zu reduzieren , 10. - Schalten Sie die ECDL-Emission.
HINWEIS: Das Laserlicht durchläuft den optischen Aufbau MOT und erreicht das Experiment Vakuumkammer. - Leicht den Strom des Lasers ECDL manuelle Einstellung der Laserfrequenz abzustimmen , bis das Lock-in - Fehlersignal der D 6 Li 2 Linie beobachtet wird, wie in 3b gezeigt.
- Stellen Sie den Verriegelungspunkt in der Steuerungssoftware auf das 2 2 S 1/2 (F = 3/2) → 2 2 P 3/2 Übergang (siehe Figuren 3a, 3b). Dann verriegeln die Laserfrequenz zu diesem Übergang, und stellen den Verriegelungspunkt an der Mitte des Übergangs 10.
Hinweis: Wenn die Laserfrequenz verriegelt ist, das Lock-in-Fehlersignal zeigt eine geringe Schwankung in der Punkt-Verriegelung auf die Frequenzschwankung um den Verriegelungspunkt entspricht.
- Imaging Laser Vorbereitung
HINWEIS: Die optische Einrichtung und relevante Ergebnisse des Versatzes Verriegelungsverfahren sind in Referenz 10 dargestellt.- Schalten Sie den Offset Verriegelungs HF-Signalgenerator.
- Schalten auf der Modulation des Gitters, und erhöht die Modulationsamplitude auf 2 V.
- Wiederholen Sie den Frequenzabstimmungsprozess in 3.1.4.-3.1.5. das Laserfrequenz schlagendes Fehlersignal in dem Oszilloskop und das HF-Spektrumanalysator zu erhalten.
- Verriegeln der Laserfrequenz, um das schlagende Signal des Offset-Verriegelung durch zwei PID-Rückkopplungsmodule.
Hinweis: Wenn die Laserfrequenz gesperrt ist, wird das Spektrum des schlagenden Signals in dem HF-Spektrum an der Sperrstelle zu stoppen.
- Schalten Sie ein APGund der Abbildungsstrahl AOM.
- Stellen Sie die Bildgebungspulsdauer 10 us, und stellen Sie die Trennzeit zwischen den beiden Bildrahmen auf 5,5 ms.
- Stellen Sie die Abbildungsstrahlenintensität bis etwa 0,3 I sat, wo I sat = 2,54 mW / cm 2 die gesättigte Absorptionsintensität der 6 Li 2 D online ist.
- Langsam Atom Quelle
- Schalten Sie den Ofen Heizungen.
- Nachdem die Ofentemperaturen der Betriebsbereich (siehe Tabelle 2) erreichen, schalten die Kühllüfter für den Zeeman langsamer. Dann erhöht langsam den Strom des langsamer auf 9,2 A. Schalten Sie den Strom von den beiden Spulen crossover bis 7 A 1 und A jeweils.
HINWEIS:Die Temperaturverteilung des Ofens in Tabelle 2 aufgelistet ist , zur Kollimation und die Lebensdauer der Atomquelle optimiert 12. Die Lage des Heizelemente auf dem Ofen ist in Abbildung 4 dargestellt. - Freigeben des Zeeman langsamen Laserstrahl manuell durch die Atomverschlußöffnungs. Stellen Sie die Frequenz des Laserstrahls zu 192 MHz red-verstimmt mit dem 2 2 S 1/2 (F = 3/2) → 2 2 P 3/2 Übergang.
HINWEIS: Mit dieser Einstellung wird die Geschwindigkeit der Atome von 1,400 m / s bis 100 m / s verlangsamt. Der Zeeman langsamer ist in 5 gezeigt.
- Magnetfeldgradienten
ANMERKUNG: Diese Vorrichtung verwendet ein Paar von Spulen durch einen H-Brückenschaltkreis gesteuert, um entweder einen Anti-Helmholtz oder Helmholtz Magnetfeld zu erzeugen. Die Spulen sind wassergekühlte eine Überhitzung zu verhindern.- drehen sich langsam auf der Wasserdurchfluss bis 6 gal / min.
- Stellen Sie die H-Brücke für die anti-Helmholtz Magnetfeldkonfiguration durch das Zeitsteuerprogramm mit der MOT Ladezeitdatei ausgeführt wird.
- Schalen Sie die Stromversorgungen Magneten und stellen Sie den Strom von jeder Spule auf etwa 18 A über sein Steuerprogramm, das einen Magnetfeldgradienten von etwa 22 G / cm für den MOT schafft.
ANMERKUNG: Eine statische MOT wird im Experimentierraum beobachtet, nachdem der Magnetfeldgradient eingeschaltet ist.
- dynamische MOT
HINWEIS: Der optische Aufbau der 6 Li MOT enthält drei Paare von entgegengesetzt ausbreitenden Strahlen MOT mit allen Paaren orthogonal zueinander. Jeder Strahl MOT umfasst einen Kühlstrahl und einen Strahl Umpumpen. Die Intensitäten und Frequenz Verstimmungen der Strahlen, die durch AOMs gesteuert werden, sind vielfältig für die drei Phasen. Die Steuerspannungen der AOMs werden über Multiplexerschaltungen befohlenen durch ein Zeitsteuersystem eingestellt. Die Parameter für die drei Phasen sind in Tabelle 3 aufgeführt. Die optische layaus den MOT - Strahlen wird in Abbildung 6 gezeigt.- Last, kompiliert und das Experiment Timing-Datei in dem Timing-Steuerprogramm auf einer Schleife mit der Software-Steuerung ausgeführt werden. Das Experiment beginnt mit der Timing MOT Ladephase. Überwachen des MOT Fluoreszenzsignal in dem Photodetektor 2 V zu erreichen, die etwa 10 9 Atome in der MOT anzeigt.
HINWEIS: Die Fluoreszenz des MOT wird durch eine Linse mit einem räumlichen Winkel von etwa 10 -4 rad gesammelt. Die Ladephase 13 Atomzahl kann durch das Verfahren in Referenz berechnet werden. - Verwenden des optischen Verschluss die Verlangsamung Strahl zu blockieren, bevor die Ladephase endet.
HINWEIS: Der Zeitpunkt der Verlangsamung Strahlblende ist auch unter der Steuerung des Experimentes Timing, die in Tabelle 1 aufgeführt ist. - Set Intensitäten und Frequenzverstimmungen der MOT Laserstrahlen nach Tabelle 3 für die Abkühlphase.
HINWEIS: Nach der Abkühlphase, die Temperatur derMOT wird auf etwa 300 uK reduziert. - Für die Pumpphase, Programmdatei des Experiment der Umpumpen Balken mit dem AOM auszuschalten Timing.
HINWEIS: Die Pumpphase Pumpen alle Atome in den niedrigsten Hyperfein- Staaten 2 2 S 1/2 (F = 1/2). - Dreht die MOT Strahl ab und verschieben die Laserfrequenz 30 MHz unterhalb der atomaren Übergangsresonanz durch AOM, und blockiert die Leckage von Licht von dem AOMs mit optischen Verschlüssen.
HINWEIS: Nach der MOT Stufe jede Leckage des resonanten Lichts auf die Atomwolke in Atom Verlust führen wird. Der Zeitpunkt der AOM - Steuerung und MOT Strahlverschluss werden alle in Tabelle 1 aufgeführt. - Nach dem dynamisch MOT das Abbildungsrahmen von der Kamera erfassen. Holen Sie sich die Absorptions Abbildung des MOT.
HINWEIS: Die Ordnungszahl des MOT etwa 10 7 nach der Pumpphase ist. Eine typische Absorptionsbild des MOT ist in 7a gezeigt.
- Last, kompiliert und das Experiment Timing-Datei in dem Timing-Steuerprogramm auf einer Schleife mit der Software-Steuerung ausgeführt werden. Das Experiment beginnt mit der Timing MOT Ladephase. Überwachen des MOT Fluoreszenzsignal in dem Photodetektor 2 V zu erreichen, die etwa 10 9 Atome in der MOT anzeigt.
- Optische Dipolfalle
HINWEIS: ODT ist das Hauptwerkzeug ultrakalten Fermigase zu erzeugen. Um einen tiefen ODT, einen Faserlaser mit 100 W Emissionsleistung bei 1064 nm Wellenlänge verwendet wird, zu erzeugen. Die Einrichtung von ODT ist in 8 gezeigt.- Schalten Sie den Wasserstrom zur Kühlung der Laserstrahl-Dumps.
- Stellen Sie die ODT AOM-Steuerspannung manuell auf 1 V. Schalten Sie den Faserlaser mit 13 W Emissionsleistung.
- Überprüfen Sie die ODT-Optik mit einem Infrarot-Lichtprojektor, und entfernen Sie den Staub mit Argongasstrom.
HINWEIS: Staub auf der Optik kann das räumliche Profil des ODT ändern und verursacht Instabilität des ODT. - Befehl, um den Faserlaser AFG einen Laserimpuls über das AFG Steuerprogramm zu erzeugen.
HINWEIS: Der Ausgang des Laserimpulses wird durch das Experiment Zeitpunkt ausgelöst, und die Startzeit dieses Impulses wird auf 14 ms vor dem Ende der Ladephase MOT eingestellt. die pulse Ablaufsteuerung ist in Figur 1, und die Zeitsteuerung ist in Tabelle 1 aufgeführt gezeigt. - manuell die ODT AOM-Steuerspannung bis 8 V (80% der HF-Leistung gesättigt).
HINWEIS: Die maximale HF-Leistung von dem AOM Treiber sollte zu 80% der gesättigten Leistung begrenzt werden, um den thermischen Linseneffekt zu reduzieren. - Erwerben Sie die Absorptionsbilder der MOT und ODT von der Kamera.
HINWEIS: Überprüfen Sie die Überlappung der MOT und ODT durch ihre Absorption Bildgebung. 7b zeigt typische Absorptionsbilder des MOT und ODT, respectively.
- Vormagnetisierungsfeld und Spin Mischen HF-Feld
ANMERKUNG: Um ein interagierendes Fermigas, ein Vormagnetisierungsfeld in der vertikalen Richtung zu erzeugen zum Abstimmen aufgebracht wird die s -Welle Streulänge.- Stellen Sie die H-Brücke in dem Experiment Zeitprogramm, so dass die Magnetfeldkonfiguration ändert sich von anti-Helmholtz zu Helmholtz.
HINWEIS: Der HelmHoltz Spulen erzeugen das Vormagnetisierungsfeld für interatomare Wechselwirkung tuning. - Stellen Sie das Vormagnetisierungsfeld auf 330 G in Kanal 2 und 527,3 G in Kanal 3 des Magneten Steuerprogramm.
- Programmieren des Experimentes-Sequenzzeitsteuerung des Magnetfelds von 0 G bis 330 G kehren, nachdem die MOT ausgeschaltet wird.
Hinweis: Dieses Magnetfeld Sweep bereitet eine schwach wechselwirkenden 6 Li Fermigas für Standard - Verdampfungskühlung. - Programm eine Magnetfeldsweep von 330 G bis 527 G für einen nicht wechselwirkenden Fermigas 14.
HINWEIS: Die Magnetfeld-Sequenz aus 6.2.1-6.2.4. ist in Abbildung 1, und die Zeitsteuerung ist in Tabelle 1 gezeigt. - Anwenden eines verrauschten HF - Impuls eine 50:50 Mischung der beiden niedrigsten Hyperfein- Staaten 2 2 S 1/2 (F = 1/2, F = m ± 1/2) von 6 Li zu schaffen.
- Tune der verriegelte Laserfrequenz resonant mit den Atomen, an527,3 g (entsprechend dem Übergang 2 2 S 1/2 (F = 1/2, M F = -1/2) → 2 2 P 3/2 auf dem niedrigen Magnetfeld) durch die Ausgangsfrequenz des HF - Signals zu ändern Generator.
HINWEIS: Die Resonanzfrequenz maximiert die Atomzahl des Absorptionsbildgebung, die verwendet wird, die Frequenzeinstellung zu führen. Nur die Spin-down-Atome abgebildet werden die Atomwolke zu präsentieren, weil die 50:50 Spin Mischungen für das Experiment verwendet werden.
- Stellen Sie die H-Brücke in dem Experiment Zeitprogramm, so dass die Magnetfeldkonfiguration ändert sich von anti-Helmholtz zu Helmholtz.
- Verdunstungskühlung durch Trap-Senkung
HINWEIS: Eine Standard - Verdampfungskühlung verwendet wird , um die fermionischen Atome von 6 Li in der Nähe des degenerierten Regime zu kühlen. Die erste Stufe der Verdampfungskühlung wird durch den Impuls des Faserlasers gesteuert, und der zweite durch den ODT AOM gesteuert wird. Die nahezu degenerierten Fermigas werden als Probe für parametrische Kühlung verwendet werden.- Starten Sie die erste Stufe der Verdampfungskühlung with die Steuersoftware von der Faserlaserleistung pulsiert, die die Fallentiefe des ODT an U 0, dann zurück auf 0,1 U 0 erhöht (U 0 ist die volle Fallentiefe mit der Laserleistung von 100 W). Die Gesamtzeit dieser Phase beträgt 0,5 s.
HINWEIS: Die Dauer Impuls an U 0 entspricht , sollte auf 0,5 s begrenzt sein , um den thermischen Lensing - Effekt zu vermeiden. - Programm , das ODT AOM mit einer exponentiellen Kurve , wie in Abbildung 1 dargestellt. Nach der ersten Stufe der Verdampfungskühlung beendet ist, wartet 30 ms, und dann die zweite Stufe der Verdampfungskühlung zunächst die Fallentiefe von 0,1 U 0 bis 0,01 U 0 durch den ODT AOM senken. Die Gesamtzeit dieser Phase beträgt 1,5 s.
- Erwerben die Absorptions Abbildung der kalten Atom nach der Verdampfungskühlung.
HINWEIS: Ungefähr 10 5 Atomen in der ODT nach dem Verdampfungskühlung verbleiben, die sich von der berechnet werden kann ,Absorptionsbild.
- Starten Sie die erste Stufe der Verdampfungskühlung with die Steuersoftware von der Faserlaserleistung pulsiert, die die Fallentiefe des ODT an U 0, dann zurück auf 0,1 U 0 erhöht (U 0 ist die volle Fallentiefe mit der Laserleistung von 100 W). Die Gesamtzeit dieser Phase beträgt 0,5 s.
- Trap Tiefe Modulation
- Warte 100 ms nach der magnetischen Schleife zu 527,3 G. moduliert die Fallentiefe mit dem ODT AOM von U (t m) = 0,01 U 0 (1 + δ cos (ω m t m)), wobei δ ist die Modulationstiefe und ω m die Modulationsfrequenz ist . Stellen Sie die Modulationszeit t m in dem parametrisch Modulation AFG Steuerprogramm. Die zeitliche Abfolge der Modulation ist in Abbildung 1 dargestellt.
Hinweis: Dies ist der wichtigste Schritt parametrische Kühlung zu implementieren. - Programmieren Sie die APG die Atome von der ODT zu lösen, indem abrupt die Trapping-Strahlen. Lassen Sie das Gas ballistisch für 300 & mgr; s erweitert vor der Absorption Imaging Anwendung.
HINWEIS: Die ballistische Expansion wird mit TOF Absorption Bildgebung verwendet, um die tempe zu erhaltenrature der kalten Atome. - Erwerben das Absorptionsbild der kalten Atome nach parametrischer Kühlung.
- Warte 100 ms nach der magnetischen Schleife zu 527,3 G. moduliert die Fallentiefe mit dem ODT AOM von U (t m) = 0,01 U 0 (1 + δ cos (ω m t m)), wobei δ ist die Modulationstiefe und ω m die Modulationsfrequenz ist . Stellen Sie die Modulationszeit t m in dem parametrisch Modulation AFG Steuerprogramm. Die zeitliche Abfolge der Modulation ist in Abbildung 1 dargestellt.
- Zeitabhängigkeit Mess
HINWEIS: In unserer bisherigen Arbeit 7, fanden wir die optimierte Frequenz der parametrischen Kühlung 1,45 x ω ist, wobei ω x die radiale Trapping Frequenz von ODT bei 0,01 U 0. Unter Verwendung dieser Frequenz kann man selektiv hochenergetischer Atome entlang der axialen Richtung entfernen.- Stellen Sie die Modulationstiefe & delta; = 0,5 über das parametrische Modulations AFG Steuerprogramm.
- Verwenden der externe Triggersteuerfunktion der Parametermodulation AFG von 0 bis 600 ms die Modulationszeit zu ändern durch die Modulationszykluszahl variiert wird.
HINWEIS: Bei der Modulation der Zeit des zunehmend, wird die Größe der Atomwolke reduziert werden, insbesondere die axiale Richtung. Die entsprechenden Ergebnisse sind in 9 gezeigt. Erwerben die Abbildungsrahmen von der Kamera. Speicher und die Bilder durch das CCD-Steuerprogramm analysieren.
HINWEIS: Die CCD-Kamera wird verwendet, um die Absorption Abbildung der kalten Atom aufzuzeichnen, die das Hauptdiagnosewerkzeug von kalten Atomen ist.
3. 671 nm Laser Herstellung
ANMERKUNG: Eine 671 nm Einfrequenz ECDL mit 500 mW Ausgangsleistung wird verwendet, um die Kühlung und MOT Trapping Strahlen zu erzeugen. Eine weitere 671 nm ECDL von 35 mW ist für die Absorption Bildgebung verwendet. Ein digitaler Laserstrom-Modulationsverfahren (DLCM)wird für die Laserfrequenzstabilisierung 10 angelegt. Die damit verbundenen 6 Li Energieniveaus sind in 3a gezeigt. Stabilität bei Raumtemperatur von 20 ± 1 ° C ist für die optimale Stabilität der Laserfrequenzverriegelung erforderlich.
4. Absorption Imaging Vorbereitung
HINWEIS: Die Atome mit Absorptionsabbildungs sondiert werden, die zwei Bildrahmen benötigt. Der erste mit den Atomen, ist der Signalrahmen, und die zweiten ohne Atom wird der Referenzrahmen.
5. Kühl Atome mit MOT
HINWEIS: MOT ist ein weit verbreitetes Kühlverfahren in ultrakalten Atomen Experimenten. In diesem Abschnitt erzeugt ein MOT von etwa einer Milliarde 6 Li - Atome bei etwa 300 uK.
7. Parametric Cooling
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Representative Results
Unter Verwendung dieses Protokolls, untersuchen wir die Abhängigkeit der parametrischen Kühlung auf der Modulationszeit mit der optimierten Modulationsfrequenz und Amplitude, die beide in unserer früheren Veröffentlichung 7 ermittelt wurde. Wir bereiten zunächst eine nicht wechselwirkende Fermi Gas von 6 Li - Atome in den beiden niedrigsten Hyperfein- Zustände mit einer Temperatur von T / T F ≈ 1,2. Hier T F = (6N) 1/3 ħ ω / k B = 5,2 uK mit Atomzahl bestimmt wird , N = 1,7 x 10 5 pro Drehung und die geometrischen Mittelwert Trapping Frequenz ω = (ω x ω y ω z) 1 / 3 = 2π × (2250 × 2450 × 220) 1/3 Hz, h die Planck - konstante verringert und k B die Boltzmann - konstante. Die Zeit-abhängige Ergebnisse sind in Figur 9 mit Modulationsfrequenz von 1.45ω x und Modulationstiefe von 0,5 gezeigt. Die TOF - Absorptions Bilder der Atomwolken (9a) zeigen eine signifikante Abnahme der axialen Wolkengröße mit zunehmend der Modulationszeit, die absolute Temperatur anzeigt, durch parametrische Kühlung kontinuierlich reduziert.
Zur quantitativen Bestimmung der Kühlwirkung beschreiben, verwenden wir E (x, z) / E F als eine wirksame Thermometrie für ultrakalten Fermigase 7, wobei E F die Fermi - Energie ist und E (x, z) sind die Atomwolke Energien in radialer und axiale Richtung jeweils. Wir extrahieren zunächst die Anzahl unabhängige mittlere quadratische Größe (NIMS) von der Atomwolke. Dann aus der NIMS berechnen wir E (x, z) / E F in 9b. Nach etwa 500 ms Modulation wird die E Z / E F deutlich 1,80-0,90 und die E x / E F erhöht wird , leicht reduziert geringfügig 1,20-1,25. Die abnehmenden Atomzahlen in 9b Inset angeben Atome aus der Falle ausgestoßen werden. Wir finden, dass parametrische Abkühlung ändert die Atomwolke Energie in eine anisotropen Weise, in der die Energie in der axialen Richtung unter der Fermi-Energie ist, während die radial ein noch oberhalb der Fermi-Energie ist. Es ist anzumerken , dass die anfänglichen ungleichen Kräfte in axialer und radialer Richtung (9b) durch die schnellen Trap erzeugt absenkt 6.3 in Abschnitt aufgetragen. Nach dem parametrischen Abkühlen wird die axiale Richtung Energie deutlich reduziert, während die Radialenergie kaum verändert. Dieses Ergebnis zeigt die Art und Weise, dass parametrische Kühlung ändert die Wolke Energie anisotrop ist. Diese anisotrope Effekt beruht auf der Tatsache, dass diedominant Anharmonizität des ODT gestrichenen Strahl entlang der axialen Richtung 7. Solche Proben können thermodynamisch anisotropen Vielteilchen-Quantensystem zu studieren Thermalisierung Prozesse in einem interagierenden verwendet werden.
Abbildung 1: Ultrahochvakuumsystem. Die Vakuumkammer der Vorrichtung bei ultrakalten Atom IUPUI. 1. Backofen, 2. Zeeman langsamer, 3. Magnetspulen, 4. Experiment Kammer und 5. CCD-Kamera. Bitte klicken Sie hier , um eine größere Version dieser Figur zu sehen.
Abbildung 2: Zeitsteuersequenz für die parametrische Kühlung. Die schwarze Kurve ist die Faserlaserleistung Timing. Die rote Kurve ist ein of ODT AOM Timing. Die Cyan-Kurve repräsentiert das Magnetfeld. Die orange Kurve ist die TOF Bildgebungsimpulse. Die horizontale Achse zeigt die Zeitskala der einzelnen Phasen. Bitte klicken Sie hier , um eine größere Version dieser Figur zu sehen.
Abbildung 3: Atomniveaus von 6 Li und Laserfrequenzverriegelung Spektren. a) 6 Li 2 D - Übergang für den Kühl- und Umpumpen Strahlen des MOT. b) Die gelbe Kurve ist die dopplerfreien gesättigten Absorptionsspektren von 6 Li 2 D Linie, und die rote Kurve ist das zugehörige lock-in - Fehlersignal. Der linke Peak der 2 2 S 1/2 (F = 3/2) ist → 2 2 P 3/2 Übergang, ist die richtige die 22 S 1/2 (F = 1/2) → 2 2 P 3/2 Übergang und die Mitte ist das Kreuzungssignal der beiden Übergänge. Der Bindestrich Kreuz ist der Verriegelungspunkt. Bitte klicken Sie hier , um eine größere Version dieser Figur zu sehen.
Abbildung 4: 6 Li Ofen. Jeder markierte Abschnitt enthält eine temperaturgesteuerte Heizspirale für den Ofen zur Ausgabe der erforderlichen Atomflusses. Bitte klicken Sie hier , um eine größere Version dieser Figur zu sehen.
Figu re 5: Zeeman langsamer. Die Crossover-Spule ist der letzte Abschnitt des Zeeman langsamer. Bitte klicken Sie hier , um eine größere Version dieser Figur zu sehen.
Abbildung 6: MOT optisches Layout. Der optische Aufbau zur Erzeugung des MOT und Verlangsamen Laserstrahlen. Bitte klicken Sie hier , um eine größere Version dieser Figur zu sehen.
Abbildung 7: MOT und ODT Absorptions Bilder. a) MOT Bild nach Phase pumpt. b) Das Bild des überlappten MOT und ODT._upload / 55409 / 55409fig7large.jpg“target = "_ blank"> Bitte hier klicken, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.
Abbildung 8: Gekreuzte-Strahl ODT optisches Layout. Der Kreuzungswinkel der ODT ist 2θ = 12 °. Der Faserlaser AFG das Pulsieren des Lasers steuert, steuert die ODT AFG die Falle Kurve Absenken und die parametrischen Modulations AFG steuert die Laserintensitätsmodulation. Die Strahltaille der beiden Strahlen ist etwa 37 & mgr; m. Die Polarisation des ersten Strahls vertikal ist und die Polarisation des zweiten Strahls ist horizontal. Bitte klicken Sie hier , um eine größere Version dieser Figur zu sehen.
Abbildung 9: ZeitAbhängigkeit Messung parametrischer Kühlung. a) Die Absorptions Bilder der Atomwolken verschiedener Modulationszeiten. b) Die Abhängigkeit von E (x, z) / E F auf Modulationszeit (blaue Kreise stehen für E Z / E - F und die roten Quadrate sind für E x / E F). Die Einschub Figur ist die Atomzahl gegenüber Modulationszeit. Fehlerbalken stellen eine Standardabweichung. Bitte klicken Sie hier , um eine größere Version dieser Figur zu sehen.
| MOT Belastung | Startpunkt |
| MOT Ladezeit | 10 s |
| MOT Kühlung auf | MOT Laden ab |
| MOT Abkühlzeit | 5 ms |
| MOT Pumpen auf | MOT Abkühlung |
| MOT Pumpzeit | 100 & mgr; s |
| MOT AOM aus | MOT off (das selbe wie MOT Abpumpen) |
| Zeeman langsame Strahlblende auf | 200 ms vor dem Laden MOT off |
| MOT Strahl Verschlußdurchlaßzustand | MOT aus |
| Faserlaser Verdunstungskühlung Startzeit | 14 ms vor dem Ende des Lade MOT |
| ODT Verdunstungskühlstartzeit | 500 ms nach MOT aus |
| H-Brücken-Schaltzeit | MOT aus |
| Magnetfeld Ablenk-Startzeit (0-330 G) | MOT aus |
| Magnetfeld-Sweep-Startzeit (von 330 bis 527.3G) | 2.000 ms nach MOT aus |
| Parametric Kühlstartzeit | 2.500 ms nach MOT aus |
| Bildgebungspulstriggerzeit | 3.200 ms nach MOT ab |
| CCD-Triggerzeit | 100 & mgr; s vor der Bildgebungspulstriggerzeit |
Tabelle 1: Versuchszeitsteuerung. Sequenzparameter Timing experimentelle Instrumente zu steuern. Die Zeitsteuersequenz beginnt bei MOT Laden, Abkühlen und Pumpen. Die MOT ausgeschaltet ist der Zeitpunkt nach dem MOT Pumpen.
| Kanal 1 | Kanal 2 | Kanal 3 | Channel 4 | Channel 5 |
| 348 ° C | 354 ° C | 434 ° C | 399 ° C | 372 ° C |
Tabelle 2: Oven Temperaturprofil. Der 6 Li Ofen arbeitet bei optimalem Fluss mit den angegebenen Temperaturen.
| Phase | Laden | Kühlung | Pumping | |||
| Strahl | Kühlung | Umpumpen | Kühlung | Umpumpen | Kühlung | Umpumpen |
| Verstimmung von verriegelte Übergang (MHz) | -28 | -28 | -5 | -5 | -2 | AUS |
| Intensität (I sat) | 2 | 1 | 0,1 | 0,05 | 0.08 | AUS |
Tabelle 3: MOT Phasen Eigenschaften. Die MOT Phasenfolge ist so konzipiert, th zu maximierene Anzahl der Atome in den ODT übertragen werden.
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Discussion
Wir stellen ein experimentelles Protokoll für parametrische Kühlung eines nicht wechselwirkenden Fermi Gases in einer gekreuzten Strahl optische Falle. Die kritischen Schritte dieses Protokolls sind: Erstens, die optisch eingefangen Fermi Gas zu der degenerierten Temperatur gekühlt werden muss, in unmittelbarer Nähe des Fallentiefe verringert wird. Zweitens wird eine Modulationsfrequenz gewählt, die mit der anharmonischen Komponente des Fallenpotential resonant ist. Drittens wird die Intensität des modulierten Strahls Trapping die Atomwolke zu kühlen und die Abhängigkeit der Wolke Energie auf die Modulationszeit zu messen.
Im Vergleich mit dem Fall senkenden Schema stellt das parametrische Kühlschema eine selektive Art und Weise hochenergetischer Atom aus der optischen Fall zu entfernen, ohne dass die Fallentiefe verringert wird. Es hilft, die Phasendichte und abzukühlen, um ein nicht wechselwirkenden Fermi-Gas zu erhöhen. Weil solche parametrische Kühlung in der Regel anisotrop ist, stellt es auch ein zweckmäßiges Verfahren Temperatur Anisotropie in Quantengas zu modifizierenes.
Um parametrische Kühlung zu ermöglichen, erfordert das aktuelle Protokoll ein Fermigas in der Nähe der degenerierten Temperatur als der Ausgangspunkt. Die Kühlwirkung ist auch mit der axialen Richtung des Fallenpotential begrenzt. Diese beiden Beschränkungen sind, die durch die finite Anharmonizität des gekreuzt-beam ODT, die durch Gaußsche Laserstrahlen in dem aktuellen Protokoll hergestellt ist. Um diese Methode für verschiedene Atomarten erweitern und gelten für größere Temperaturbereich, müssen wir die Anharmonizität des Fallenpotential erhöhen.
Wir schlagen zwei Verbesserungen für diese Kühltechnik. Erstens kann parametrische Kühlung mit einem Trapping - Potential mit großer Anharmonizität in allen drei Richtungen, wie beispielsweise Kastenfallen 15 oder Potenzgesetz Fallen 16 realisiert werden, die das Potential hat , um direkt die eingeschlossenen Atom von dem thermischen Zustand in die degenerierten Regime zu kühlen , ohne die Forderung an die optische Falle bei Absenkenalle. Zweitens, indem periodisch das optische Einfangen Potential durch einen AOM 17 Schütteln, können wir die optische Falle mit großer Anharmonizität synthetisieren die Floquet Verfahren unter Verwendung von 18.
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Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 500 mW 671 nm ECDL | Toptica | TA Pro | Quantity: 1 |
| 35 mW 671 nm ECDL | Toptica | DL-100 | Quantity: 1 |
| 671 nm AOM | Isomet | 1206C | Quantity: 3 |
| 671 nm AOM Driver | Isomet | 630C-110 | Quantity: 3 |
| 100 W 1,064 nm CW laser | IPG photonics | YLR-100-1064-LP | Quantity: 1 |
| 1,064 nm AOM | IntraAction | ATM-804DA6B | Quantity: 1 |
| 1,064 nm AOM Driver | IntraAction | ME-805EH | Quantity: 1 |
| Arbitrary Function Generator | Agilent | 33120A | Quantity: 3 |
| Digital I/O Board | United Electronic Industries | PD2-DIO-128 | Quantity: 1 |
| System Design Platform | National Instruments | LabVIEW | Quantity: 1 |
| Analog Voltage Output Device | Measurement Computing | USB-3104 | Quantity: 1 |
| CCD Camera | Hamamatsu | Orca R2 | Quantity: 1 |
| Arbitrary Pulse Generator | Quantum Composer | 9618+ | Quantity: 1 |
| Analog Voltage Output Device | Measurement Computing | USB-3104 | Quantity: 1 |
| 20 A power supply | Quantity: 1 | ||
| 10 A power supply | Quantity: 1 | ||
| 120 A power supply | Quantity: 2 | ||
| Cooling Fans | Quantity: depends on apparatus design | ||
| 671 nm Mirrors | Quantity: depends on apparatus design | ||
| 671 nm Half-wave Plate | Quantity: depends on apparatus design | ||
| 671 nm Quarter-wave Plate | Quantity: depends on apparatus design | ||
| 500 mW Beam Shutter | Quantity: depends on apparatus design | ||
| 671 nm Lenses | Quantity: depends on apparatus design | ||
| Faraday Isolator | Quantity: 2, one for each ECDL | ||
| 671 nm Polarizing Beam Splitter | Quantity: depends on apparatus design | ||
| Photodetector | Thorlabs | SM05PD1A | Quantity: 1 |
| Multiplexer | Analog Devices | ADG409 | Quantity: 1 |
| Multiplexer | Analog Devices | ADG408 | Quantity: 2 |
| 1,064 nm plano-concave lens | Quantity: 1 for beam reducer | ||
| 1,064 nm plano-convex lens | Quantity: 1 for beam reducer | ||
| 1,064 nm Mirrors | Quantity: depends on apparatus design | ||
| 1,064 nm Half-wave Plates | Quantity: depends on apparatus design | ||
| 1,064 nm Lenses | Quantity: depends on apparatus design | ||
| 1,064 nm Thin Film Polarizer | Quantity: 1 | ||
| 100 W, 1,064 nm Beam Dump | Quantity: 1 | ||
| 100 W, 1,064 nm Power Meter | Quantity: 1 | ||
| RF Function Generator | Rigol | DG4162 | Quantity: 1 |
| RF Power Amplifier | Mini-Circuits | ZHL-100W-GAN+ | Quantity: 1 |
References
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