Introduction
En las dos últimas décadas, varias técnicas de enfriamiento se han desarrollado para la generación de condensados de Bose-Einstein (BEC) y degenerar gases de Fermi (DFG) de los vapores atómicos calientes 1, 2, 3, 4, 5. BEC y DFG son nuevos fases de la materia que existen en temperaturas extremadamente bajas, por lo general una millonésima de un grado por encima del cero absoluto de temperatura, muy inferiores a los que normalmente se encuentran en la tierra o en el espacio. Para obtener tales bajas temperaturas, la mayoría de los métodos de refrigeración se basan en la reducción del potencial de captura para enfriar por evaporación los átomos. Sin embargo, el esquema de reducción también disminuye la tasa de colisiones de los átomos, lo que limita la eficacia de la refrigeración cuando el gas alcanza el régimen cuántico 6. En este artículo, se presenta un método de "expulsar" para enfriar por evaporación un gas ultrafrío Fermi en un ODT sinla reducción de la profundidad de trampa. Este método se basa en nuestro reciente estudio de refrigeración paramétrico 7, que muestra varias ventajas en comparación con los regímenes de descenso 7, 8, 9.
La idea clave del esquema paramétrico es emplear el anarmonicidad de la ODT-haz cruzado, que hace que los átomos más calientes cerca del borde del potencial de captura sienten las frecuencias de captura más bajos que los átomos más frías en el centro. Este anarmonicidad permite que los átomos más caliente al ser expulsados selectivamente de la trampa cuando la modulación del potencial de captura en las frecuencias de resonancia con los átomos de alta energía.
El protocolo experimental de enfriamiento paramétrico requiere un gas pre-enfriado noninteracting Fermi cerca de la temperatura degenerada. Para implementar este protocolo, un modulador acústico-óptico (AOM) se utiliza para modular la intensidad de los haces de captura por controlling la modulación de frecuencia, profundidad y tiempo. Para verificar el efecto de enfriamiento, la nube atómica se sonda de formación de imágenes por absorción de tiempo de vuelo (TOF), donde un haz de láser resonante ilumina la nube atómica y la sombra de absorción es capturada por un dispositivo acoplado de carga (CCD) de la cámara. Las propiedades de las nubes, como el número de átomos, la energía y la temperatura, se determinan por la densidad de la columna. Para caracterizar el efecto de enfriamiento, se mide la dependencia de las energías de la nube en los distintos momentos de modulación.
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Protocol
NOTA: Este protocolo requiere un aparato átomo ultrafríos construido en casa incluyendo el siguiente equipo: dos láseres de diodo cavidad externa (PCIE), una configuración de bloqueo para el ECDL desplazamiento de frecuencia de bloqueo 10, un láser de fibra para el ODT, un AOM para la modulación de la intensidad del láser , un sistema de radiofrecuencia (rf) de antena con un generador de fuente y un amplificador de potencia, un sistema de imágenes de absorción con una cámara CCD, un programa de ordenador para la temporización de secuencia y adquisición de datos (DAQ), un programa de ordenador para el procesamiento de imágenes y análisis de datos, un par de electroimanes para los campos magnéticos MOT y sesgo, y una cámara de vacío ultra alto que incluye un horno de vapor de Li 6 y una Zeeman más lento (que se muestra en la Figura 1).
Precaución: Se utilizan tres láseres de diferentes potencias y longitudes de onda. Por favor, consulte las hojas de datos de seguridad del láser pertinentes y elegir los ojos con gafas de seguridad láser.
1. El tiempo ContROL
NOTA: Todas las secuencias de tiempo son controlados por un 128 canal de la tarjeta PCI DAQ través de un programa de control de temporización. La resolución de la secuencia de tiempo es de 100 mu s. Varios programas de control de la instrumentación se utilizan para controlar los ajustes de los instrumentos, como generador de láser de fibra de función arbitraria (AFG), ODT AFG, generador de impulsos arbitraria (APG), AFG modulación paramétrico, multiplexor MOT, generador de rf, etc.
- Abra el programa de control de tiempo y los programas de control de los instrumentos.
NOTA: El programa de control de sincronización envía señales TTL (lógica transistor-transistor) a los terminales de control para el funcionamiento de los archivos de control de temporización. Algunos instrumentos están conectados al ordenador por GPIB (IEEE 488) para el control en tiempo real. - Escribir el archivo de sincronización experimento y establecer los parámetros de tiempo que se enumeran en la Tabla 1.
NOTA: La secuencia de tiempo después de MOT también se ilustra en la Figura 2. 2. Cámara CCD Preparación - A su vez en el controlador de la cámara CCD y su programa de control. Ajuste la cámara CCD a modo de imagen de partículas velocimetría (PIV) 11. Ajuste el tiempo de exposición del CCD de 5 ms.
NOTA: El modo PIV reduce el intervalo de tiempo entre la trama de señal y de referencia, lo que aumenta la relación señal-ruido de la imagen de absorción. - Utilizar un disparador externo para controlar la exposición del CCD
NOTA: El tiempo de disparo CCD aparece en la Tabla 1. - Preparación Laser MOT
NOTA: La configuración óptica y resultados pertinentes del método DLCM se presenta en la referencia 10.- Encender el calentador de célula de vapor atómico 6 Li y calentarlo hasta 340 ° C.
- Calentar el láser OMA bloqueo durante 1 h.
- Encienda el controlador de bloqueo de frecuencia láser y abrir su software. Encienda el láser de modulación de rejilla y corriente de la ECDL en el software.
NOTA: La frecuencia de modulación y la amplitud de la modulación de rejilla se establecen en 5 Hz y 1,0 V, respectivamente. La frecuencia de modulación y la amplitud de la modulación de la corriente se establecen en 100 kHz y 0,0015 V pp respectivamente para reducir el ancho de línea láser 10. - A su vez en la emisión ECDL.
NOTA: La luz láser pasa a través de la configuración óptica MOT y llega a la cámara experimento vacío. - Ligeramente ajustar la corriente del láser ECDL manualmente para sintonizar la frecuencia del láser hasta que se observa la señal de error lock-in de la 2 línea 6 Li D, como se muestra en la Figura 3b.
- Ajuste el punto de bloqueo en el software de control a la 2 2 S medio (F = 3/2) → 2 2 P 3/2 de transición (ver las figuras 3a, 3b). Luego bloquee la frecuencia del láser para esta transición, y ajustar el punto de bloqueo para el centro de la transición 10.
NOTA: una vez que la frecuencia del láser está bloqueado, la señal de error lock-in muestra una pequeña fluctuación en el punto de bloqueo correspondiente a la fluctuación de frecuencia alrededor del punto de bloqueo.
- Preparación Laser Imaging
NOTA: La configuración óptica y resultados pertinentes del método de bloqueo de desplazamiento se presentan en la referencia 10.- Encienda el generador de señales de RF de bloqueo de desplazamiento.
- A su vez en la modulación de la rejilla, y aumentar la amplitud de modulación a 2 V.
- Repetir el proceso de ajuste de frecuencia en 3.1.4.-3.1.5. para obtener la señal de error de latido frecuencia del láser en el osciloscopio y el analizador de espectro RF.
- Bloquear la frecuencia del láser a la señal de latido del desplazamiento de bloqueo a través de dos módulos de realimentación PID.
NOTA: Una vez que la frecuencia del láser está bloqueado, el espectro de la señal de latidos en el espectro de RF se detendrá en el punto de bloqueo.
- A su vez en un APGy el AOM haz de formación de imágenes.
- Establecer la duración del pulso de imágenes a 10 microsegundos, y establecer el tiempo de separación entre los dos marcos de imagen a 5,5 ms.
- Establecer la intensidad del haz de formación de imágenes a aproximadamente 0,3 I sat, donde estaba sentado = 2,54 mW / cm 2 es la intensidad de absorción saturada de la línea 6 Li D 2.
- Fuente Atom lenta
- A su vez en los calentadores del horno.
- Después de que las temperaturas del horno llegan a la región operativa (consulte la Tabla 2), encienda los ventiladores de refrigeración para el Zeeman más lento. A continuación, aumentar lentamente la corriente de la más lenta a 9,2 A. Encienda la corriente de las dos bobinas de cruce a 7 A y 1 A respectivamente.
NOTA:La distribución de la temperatura del horno enumerados en la Tabla 2 se optimiza para la colimación y la vida útil de la fuente atómica 12. La ubicación de los calentadores en el horno se muestra en la Figura 4. - Desbloquear el haz láser Zeeman más lenta manualmente abriendo el obturador atómica. Ajuste de la frecuencia del haz de láser a 192 MHz rojo-detuned con el 2 2 S medio (F = 3/2) → 2 2 P 3/2 transición.
NOTA: Con esta configuración, la velocidad de los átomos se ralentiza a partir de 1,400 m / s a 100 m / s. El Zeeman más lento se muestra en la Figura 5.
- Gradiente de campo magnético
NOTA: Este aparato utiliza un par de bobinas controladas por un circuito conmutador de puente en H para producir o bien un anti-Helmholtz o campo magnético Helmholtz. Las bobinas son agua enfriada para evitar el sobrecalentamiento.- Lentamente encender el flujo de agua a 6 gal / min.
- Ajuste el puente en H para la configuración de campo magnético anti-Helmholtz ejecutando el programa de control de temporización con el archivo de temporización MOT carga.
- A su vez en fuentes de alimentación de los imanes, y ajustar la corriente de cada bobina a aproximadamente 18 A a través de su programa de control, lo que crea un gradiente de campo magnético de aproximadamente 22 g / cm para la MOT.
NOTA: Se observa un MOT estática en la cámara de experimento después de la gradiente de campo magnético está encendido.
- MOT dinámico
NOTA: La configuración óptica de la 6 Li MOT contiene tres pares de contador que se propagan haces MOT con todos los pares ortogonales entre sí. Cada haz MOT incluye una viga de refrigeración y un haz de rebombeo. Las intensidades y detunings de frecuencia de las vigas, que son controlados por AOMs, son variadas para las tres fases. Las tensiones de control de los AOMs se establecen a través de circuitos de multiplexor comandados por un sistema de control de temporización. Los parámetros para tres fases se enumeran en la Tabla 3. La disposición ópticafuera de los haces de MOT se muestra en la Figura 6.- Carga, compilar y ejecutar el archivo de experimento de sincronización en el programa de control de tiempos en un bucle con el control del software. El momento experimento comienza con la fase de MOT carga. Monitorizar la señal de fluorescencia MOT en el fotodetector para llegar a 2 V, lo que indica alrededor de 10 9 átomos en el MOT.
NOTA: La fluorescencia de la MOT es recogida por una lente con ángulo espacial de aproximadamente 10 -4 rad. El número de átomos de fase de carga se puede calcular por el método en la referencia 13. - Utilice el obturador óptico para bloquear el haz de desaceleración antes de que termine la fase de carga.
NOTA: El momento de la obturación haz desaceleración también está bajo el control de la temporización experimento, que se enumeran en la Tabla 1. - Set intensidades y detunings de frecuencia de los haces de láser MOT de acuerdo con la Tabla 3 para la fase de enfriamiento.
NOTA: Después de la fase de enfriamiento, la temperatura de laMOT se reduce a aproximadamente 300 μK. - Para la fase de bombeo, el experimento programa de sincronización de archivos para apagar las vigas de rebombeo con la OMA.
NOTA: Bombas La fase de bombeo de todos los átomos en los estados hiperfinos más bajas 2 2 S 1/2 (F = 1/2). - Apagar los haces MOT y cambiar el láser de frecuencia 30 MHz por debajo de la resonancia de transición atómica por AOM, y bloquear la luz se escapa de los AOMs con obturadores ópticos.
NOTA: Después de la etapa de MOT, cualquier fuga de la luz resonante a la nube atómica resultará en la pérdida de átomo. El momento de la control de AOM y el obturador de haz MOT vienen recogidos en la Tabla 1. - Después de la MOT dinámico, adquirir los marcos de imagen de la cámara. Obtener la imagen de absorción de la ITV.
NOTA: El número atómico de la ITV es de aproximadamente 10 7 después de la fase de bombeo. Una imagen de absorción típico de la MOT se muestra en la Figura 7a.
- Carga, compilar y ejecutar el archivo de experimento de sincronización en el programa de control de tiempos en un bucle con el control del software. El momento experimento comienza con la fase de MOT carga. Monitorizar la señal de fluorescencia MOT en el fotodetector para llegar a 2 V, lo que indica alrededor de 10 9 átomos en el MOT.
- Trampa dipolo óptico
NOTA: ODT es la principal herramienta para generar gases ultrafríos Fermi. Con el fin de generar un profundo ODT, un láser de fibra con potencia de emisión de 100 W a 1064 nm de longitud de onda se utiliza. La configuración de ODT se muestra en la Figura 8.- A su vez en el flujo de agua para el enfriamiento de los vertederos de rayo láser.
- Ajuste el voltaje de control ODT AOM a 1 V manualmente. Encienda el láser de fibra con una potencia de emisión de 13 W.
- Consultar la óptica ODT con un visor de luz infrarroja, y eliminar el polvo con flujo de gas argón.
NOTA: El polvo en la óptica puede cambiar el perfil espacial de la ODT, y causar inestabilidad de la ODT. - Manda a los AFG láser de fibra para generar un impulso láser a través del programa de control AFG.
NOTA: La salida del pulso de láser es disparado por el tiempo experimento, y la hora de inicio de este pulso se establece en 14 ms antes del final de la fase de MOT carga. los Pulscontrol de secuencia e se muestra en la Figura 1, y el momento aparece en la Tabla 1. - Establecer manualmente la tensión de control ODT AOM a 8 V (80% de la potencia rf saturada).
NOTA: La potencia máxima de RF del controlador de AOM se debe limitar a 80% de la potencia saturada para reducir el efecto de lente térmica. - Adquirir las imágenes de absorción de la ITV y ODT de la cámara.
NOTA: Compruebe la superposición de la ITV y ODT de imágenes a través de su absorción. La Figura 7b muestra imágenes de absorción típicos de la MOT y ODT, respectivamente.
- Sesgo Campo Magnético y girar Mezcla de campo de RF
NOTA: Con el fin de generar un gas de Fermi interactuando, un campo magnético de polarización en la dirección vertical se aplica para sintonizar la longitud de onda * s dispersión.- Ajuste el puente en H en el programa de temporización experimento de modo que los cambios de configuración magnéticos campo de anti-Helmholtz a Helmholtz.
NOTA: El timónbobinas holtz generan el campo magnético de polarización para el ajuste de la interacción interatómica. - Ajuste el campo magnético de polarización a 330 G en el canal 2 y 527,3 G en el canal 3 del programa de control de imanes.
- Programar la secuencia experimento de temporización para barrer el campo magnético de 0 G a 330 G después de la MOT está apagado.
NOTA: Este barrido de campo magnético prepara un 6 Li Fermi gas de interacción débil para el enfriamiento por evaporación estándar. - Programar un barrido de campo magnético de 330 G a 527 G para un no interactúe y gas de Fermi 14.
NOTA: La secuencia de campo magnético de 6.2.1-6.2.4. se muestra en la Figura 1, y el momento aparece en la Tabla 1. - Aplicar un pulso de RF ruidoso para crear una mezcla 50:50 de los dos estados más bajos hiperfinos 2 2 S 1/2 (F = 1/2, m F = ± 1/2) de 6 Li.
- Sintonizar la frecuencia del láser bloqueado resonante con los átomos a527,3 G (correspondiente a la transición 2 2 S medio (F = 1/2, m F = -1/2) → 2 2 P 3/2 en el campo magnético de baja) cambiando la frecuencia de salida de la señal de rf generador.
NOTA: La frecuencia de resonancia maximiza el número de átomos de la formación de imágenes de absorción, que se utiliza para guiar el ajuste de la frecuencia. Sólo los átomos de spin-down se crean imágenes para presentar la nube atómica debido a que las mezclas 50:50 de giro se utilizan para el experimento.
- Ajuste el puente en H en el programa de temporización experimento de modo que los cambios de configuración magnéticos campo de anti-Helmholtz a Helmholtz.
- El enfriamiento evaporativo por Trampa Bajando
NOTA: Un enfriamiento por evaporación estándar se utiliza para enfriar los átomos fermionic de 6 Li cerca del régimen degenerado. La primera etapa de enfriamiento por evaporación se controla por el pulso del láser de fibra y la segunda es controlada por el ODT AOM. El gas de Fermi cerca degenerada será utilizado como la muestra para la refrigeración paramétrico.- Comience la primera etapa del ingenio enfriamiento evaporativoh el software de control por pulsación de la potencia del láser de fibra, lo que aumenta la trampa profundidad de la ODT a T 0, luego de vuelta a 0,1 U 0 (U 0 es la profundidad trampa completo con la potencia del láser de 100 W). El tiempo total de esta etapa es de 0,5 s.
NOTA: La duración del pulso correspondiente a U 0 debe limitarse a 0,5 s para evitar el efecto de lente térmica. - Programa de la AOM ODT con una curva exponencial, como se muestra en la Figura 1. Una vez finalizada la primera etapa de enfriamiento por evaporación, espere 30 ms, y luego comenzar la segunda etapa de enfriamiento por evaporación mediante la reducción de la profundidad de trampa de 0,1 U 0 hasta 0,01 U 0 a través de la AOM ODT. El tiempo total de esta etapa es de 1,5 s.
- Adquirir la formación de imágenes de absorción de los átomos fríos después de la refrigeración por evaporación.
NOTA: Cerca de 10 5 átomos se dejan en el ODT después de la refrigeración por evaporación, que se puede calcular a partir de laimagen absorción.
- Comience la primera etapa del ingenio enfriamiento evaporativoh el software de control por pulsación de la potencia del láser de fibra, lo que aumenta la trampa profundidad de la ODT a T 0, luego de vuelta a 0,1 U 0 (U 0 es la profundidad trampa completo con la potencia del láser de 100 W). El tiempo total de esta etapa es de 0,5 s.
- Profundidad de modulación de Trampa
- Espere 100 ms después del barrido magnético a 527,3 G. modular la profundidad trampa con el ODT AOM por U (t m) = 0,01 T 0 (1 + δ cos (ω m t m)), donde δ es la profundidad de modulación y ω m es la frecuencia de modulación. Ajuste el tiempo de modulación m t en el programa de control de modulación AFG paramétrico. La secuencia de tiempo de la modulación se muestra en la Figura 1.
NOTA: Este es el paso clave de la aplicación de enfriamiento paramétrico. - Programar el APG para liberar los átomos de la ODT por abruptamente apagar los haces de captura. Deje que el gas expandir balístico de 300 mu s antes de aplicar imágenes de absorción.
NOTA: La expansión balística se utiliza con imágenes de absorción TOF para obtener la temperature de los átomos fríos. - Adquirir la imagen de absorción de los átomos fríos Después de enfriar paramétrico.
- Espere 100 ms después del barrido magnético a 527,3 G. modular la profundidad trampa con el ODT AOM por U (t m) = 0,01 T 0 (1 + δ cos (ω m t m)), donde δ es la profundidad de modulación y ω m es la frecuencia de modulación. Ajuste el tiempo de modulación m t en el programa de control de modulación AFG paramétrico. La secuencia de tiempo de la modulación se muestra en la Figura 1.
- Tiempo de medición Dependencia
NOTA: En nuestro trabajo anterior 7, encontramos la frecuencia optimizada de la refrigeración paramétrica para ser 1,45 ω x, donde ω x es la frecuencia de captura radial de ODT a 0,01 U 0. El uso de esta frecuencia, podemos eliminar selectivamente átomos de alta energía a lo largo de la dirección axial.- Establecer la profundidad de modulación de delta = 0,5 a través del programa de control de AFG modulación paramétrico.
- Utilice la función de control de disparo externo de la AFG modulación paramétrica para cambiar el tiempo de modulación de 0 a 600 ms mediante la variación de los números de ciclos de modulación.
NOTA: Con la creciente de tiempo de modulación, se reducirá el tamaño de la nube atómica, especialmente la dirección axial. Los resultados relevantes se muestran en la Figura 9. Adquirir los marcos de imagen de la cámara. Guardar y analizar las imágenes a través del programa de control de CCD.
NOTA: la cámara CCD se utiliza para registrar la formación de imágenes de absorción de los átomos de frío, que es la principal herramienta de diagnóstico de átomos fríos.
3. 671 nm Preparación Laser
NOTA: A 671 nm sola ECDL frecuencia con la potencia de salida de 500 mW se usa para generar el enfriamiento MOT y vigas de captura. Otra 671 ECDL nm de 35 mW se usa para obtener imágenes de la absorción. Un método de modulación de corriente láser digital (DLCM)se aplica para la estabilización de frecuencia del láser 10. Los 6 niveles de energía Li relacionados se muestran en la Figura 3a. se requiere estabilidad a temperatura ambiente de 20 ± 1 ° C para la estabilidad óptima de bloqueo de frecuencia láser.
4. Absorción Imaging Preparación
NOTA: Los átomos se sondearon con formación de imágenes de absorción, que necesita dos cuadros de imagen. La primera de ellas con los átomos es la trama de señal, y la segunda sin átomos es el marco de referencia.
5. Los átomos de refrigeración con MOT
NOTA: MOT es un método de enfriamiento ampliamente utilizado en los átomos experimentos ultrafríos. En esta sección se genera una MOT de alrededor de mil millones 6 átomos de Li a aproximadamente 300 μK.
7. paramétrico de refrigeración
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Representative Results
Usando este protocolo, estudiamos la dependencia de la refrigeración paramétrico en el tiempo de modulación con la frecuencia de modulación optimizada y amplitud, ambos de los cuales han sido determinados en nuestra publicación anterior 7. En primer lugar, preparamos un gas de Fermi noninteracting de 6 átomos de Li en los dos estados hiperfinos más bajas con una temperatura de T / T F ≈ 1,2. Aquí, T F = (6 N) 1/3 ħ ω / k B = 5,2 μK se determina con N número de átomos = 1,7 × 10 5 por giro y la frecuencia de captura ω media geométrica = (ω x ω y ω z) 1 / 3 = 2π × (2,250 × 2450 × 220) 1/3 Hz, H es la constante de Planck reducida, y k B es la constante de Boltzmann. El tiempo-resultados dependientes se muestran en la Figura 9 con frecuencia de modulación de 1.45ω x, y la profundidad de modulación de 0,5. Las imágenes de absorción TOF de las nubes atómicas (Figura 9A) muestran una disminución significativa del tamaño de la nube axial con el aumento creciente del tiempo de modulación, lo que indica la temperatura absoluta se reduce continuamente por enfriamiento paramétrico.
Para describir cuantitativamente el efecto de enfriamiento, utilizamos E (x, z) / E F como una termometría eficaz para los gases ultrafríos Fermi 7, donde E F es la energía de Fermi y E (x, z) son las energías nube atómica en el radial y direcciones axiales respectivamente. En primer lugar nos extraemos el número de tamaño independiente cuadrado medio (NIMS) de la nube atómica. Luego, desde el NIMS, calculamos E (x, z) / E F en la Figura 9b. Después de aproximadamente 500 ms de modulación, la E z / E F se redujo significativamente desde 1,80 hasta 0,90 y el E x / E F es ligeramente aumentó ligeramente de 1,20 a 1,25. Los números atómicos decrecientes en la Figura 9B recuadro indican átomos son expulsados de la trampa. Encontramos que el enfriamiento paramétrico cambia la energía nube atómica en una forma anisotrópica, en la que la energía en la dirección axial está por debajo de la energía de Fermi, mientras que el uno radial es todavía superior a la energía de Fermi. Se observa que las energías desiguales inicial en dirección radial (Figura 9b) axial y se genera en la trampa del rápido descenso aplicada en la sección 6.3. Después de la refrigeración paramétrico, la energía dirección axial se reduce significativamente mientras que la energía radial está apenas cambió. Este resultado indica la forma en que el enfriamiento paramétrico cambia la nube de energía es anisotrópica. Este efecto anisotrópico es debido al hecho de que laanarmonicidad dominante de la ODT-viga cruzada es a lo largo de la dirección axial 7. Tales muestras termodinámicamente anisótropas se pueden utilizar para estudiar los procesos de termalización en un sistema cuántico de muchos cuerpos interactuando.
Figura 1: sistema de vacío ultra alta. La cámara de vacío del aparato átomo ultrafríos en IUPUI. 1. horno, 2. Zeeman más lento, 3. bobinas magnéticas, 4. cámara de experimento y 5. cámara CCD. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 2: la sincronización de secuencia para el enfriamiento paramétrico. La curva de negro es el tiempo la potencia del láser de fibra. La curva roja es uno otiempo f ODT AOM. La curva cian representa el campo magnético. La curva de naranja es los impulsos de formación de imágenes TOF. El eje horizontal muestra la escala de tiempo de cada etapa. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 3: niveles atómicos de 6 Li y frecuencia del láser espectros de bloqueo. a) 6 Li D 2 transición para las vigas de refrigeración y de rebombeo del MOT. b) La curva de amarillo es el espectro de absorción saturado libre de Doppler de 6 Li D 2 de línea y la curva roja es la señal de error de lock-in relacionada. El pico de la izquierda es el 2 2 S medio (F = 3/2) → 2 2 P 3/2 de transición, el más adecuado es el 22 S medio (F = 1/2) → 2 2 P 3/2 de transición, y el de en medio es la señal de cruce de las dos transiciones. La cruz guión es el punto de bloqueo. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 4: 6 horno Li. Cada sección etiquetada contiene una bobina de calentamiento de temperatura controlada para el horno a la salida del flujo atómico necesario. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figu re 5: Zeeman más lento. La bobina de cruce es la última sección de la Zeeman más lento. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 6: MOT diseño óptico. La configuración óptica para la generación de la ITV y la desaceleración de rayos láser. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 7: MOT y las imágenes de absorción ODT. a) Imagen de ITV después de la fase de bombeo. b) La imagen de la MOT solapada y ODT._upload / 55409 / 55409fig7large.jpg" target = '_ blank'> Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 8: Cruzado-Beam ODT diseño óptico. El ángulo de cruce de la ODT es 2θ = 12 °. El láser de fibra AFG controla el pulso del láser, el ODT AFG controla la trampa bajar curva, y la modulación paramétrico AFG controla la modulación de la intensidad del láser. La cintura del haz de ambos haces es de aproximadamente 37 m. La polarización de la primera viga es vertical y la polarización de la segunda viga es horizontal. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 9: Timemedición de la dependencia de enfriamiento paramétrico. a) Las imágenes de absorción de las nubes atómicas de varios tiempos de modulación. b) La dependencia de E (x, z) / E F en tiempo de modulación (círculos azules son para E z / E F y los cuadrados rojos son para E x / E F). La figura inserción es el número de átomos en función del tiempo de modulación. Las barras de error representan una desviación estándar. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
| MOT carga de | Punto de partida |
| tiempo de carga MOT | 10 s |
| MOT enfriamiento en | MOT carga fuera |
| tiempo de enfriamiento MOT | 5 ms |
| MOT bombeo de | MOT refrescarse |
| MOT tiempo de bombeo | 100 mu s |
| MOT OMA fuera | MOT fuera (El mismo que MOT bombeo apagado) |
| Zeeman más lento obturador de haz en | 200 ms antes de la carga MOT off |
| haz MOT de disparo en | fuera MOT |
| Fibra de láser de enfriamiento evaporativo hora de inicio | 14 ms antes del final de la carga MOT |
| ODT refrigeración por evaporación hora de inicio | 500 ms después de MOT |
| tiempo de cambio de puente H | fuera MOT |
| campo de barrido hora de inicio magnética (de 0 a 330 g) | fuera MOT |
| hora de inicio del campo magnético de barrido (de 330 a 527.3G) | 2.000 ms después de ITV |
| tiempo de inicio del enfriamiento al paramétrica | 2.500 ms después de ITV |
| Imaging tiempo de activación de impulsos | 3.200 ms después de ITV |
| tiempo de activación del CCD | 100 mu s antes de que el tiempo de activación de impulsos de formación de imágenes |
Tabla 1: control de temporización Experimental. Parámetros de temporización de secuencia para el control de instrumentos experimentales. La secuencia de temporización comienza a carga MOT, enfriamiento y bombeo. El MOT fuera es el punto de bombeo después de MOT tiempo.
| Canal 1 | canal 2 | canal 3 | canal 4 | canal 5 |
| 348 ° C | 354 ° C | 434 ° C | 399 ° C | 372 ° C |
Tabla 2: Oven perfil de temperatura. El horno 6 Li funciona a flujo óptimo con las temperaturas indicadas.
| Fase | Cargando | Enfriamiento | Bombeo | |||
| Haz | Enfriamiento | rebombeo | Enfriamiento | rebombeo | Enfriamiento | rebombeo |
| Desafinación de transición bloqueado (MHz) | -28 | -28 | -5 | -5 | -2 | APAGADO |
| Intensidad (I SAT) | 2 | 1 | 0,1 | 0.05 | 0.08 | APAGADO |
Tabla 3: Fases MOT propiedades. La secuencia de fase MOT está diseñado para maximizar ºe número de átomos que se transfiere en el ODT.
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Discussion
Presentamos un protocolo experimental para la refrigeración paramétrico de un gas de Fermi no interactúe y en una trampa óptica de haz cruzado. Los pasos críticos de este protocolo incluyen: En primer lugar, necesita ser refrigerado cerca de la temperatura degenerado mediante la reducción de la profundidad de atrapar el gas Fermi atrapados ópticamente. En segundo lugar, una frecuencia de modulación se elige que es resonante con el componente anarmónico del potencial de captura. En tercer lugar, la intensidad del haz de atrapamiento se modula para enfriar la nube atómica y medir la dependencia de la energía de nube en el tiempo de modulación.
En comparación con el esquema de trampa de disminución, el esquema de refrigeración paramétrico proporciona una manera selectiva para eliminar los átomos de alta energía de la trampa óptica sin reducir la profundidad trampa. Ayuda a aumentar la densidad de la fase y enfriar un gas de Fermi no interactúe. Debido a tal enfriamiento paramétrica es generalmente anisotrópica, también proporciona un método conveniente para modificar anisotropía temperatura en gas cuánticoES.
Para permitir la refrigeración paramétrico, el protocolo actual requiere un gas de Fermi cerca de la temperatura degenerada como punto de partida. El efecto de enfriamiento también se limita a la dirección axial del potencial de captura. Estas dos limitaciones están causadas por la anarmonicidad finito de la ODT-haz cruzado que se hace por rayos láser de Gauss en el protocolo actual. Para extender este método para las diferentes especies atómicas y aplicarlo para el rango de temperatura más grande, necesitamos aumentar la anarmonicidad del potencial de captura.
Proponemos dos mejoras para esta técnica de enfriamiento. En primer lugar, el enfriamiento paramétrico puede ser implementado con un potencial atrapando con gran anarmonicidad en las tres direcciones, tales como la caja de trampas 15 o de ley de potencia trampas 16, que tiene el potencial para enfriar directamente los átomos atrapados desde el estado térmico en el régimen degenerado sin requiriendo la reducción de la trampa óptica atodas. En segundo lugar, agitando periódicamente el potencial de atrapamiento óptico a través de un AOM 17, podemos sintetizar la trampa óptica con gran anarmonicidad utilizando el método Floquet 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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