Introduction
في العقدين الماضيين، تم تطوير تقنيات التبريد المختلفة لتوليد كثافات بوز-آينشتاين (BEC) وتتحول الغازات فيرمي (DFG) من الأبخرة الساخنة الذرية 1، 2، 3، 4، 5. BEC وDFG هي مراحل جديدة من المواد التي توجد في درجات حرارة منخفضة للغاية، وعادة احد من المليون من درجة فوق درجة حرارة الصفر المطلق، أقل بكثير من تلك التي توجد عادة على الأرض أو في الفضاء. للحصول على هذه درجات الحرارة المنخفضة، معظم وسائل التبريد تعتمد على خفض احتمال محاصرة لتبريد evaporatively الذرات. ومع ذلك، يقلل أيضا من نظام خفض معدل اصطدام الذرات، مما يحد من كفاءة التبريد عندما يصل الغاز النظام الكم 6. في هذه المقالة، ونحن تقديم "طرد" طريقة لتبريد evaporatively غاز فيرمي الشديدة البرودة في ODT دونتخفيض عمق الفخ. ويستند هذا الأسلوب على دراستنا الأخيرة من حدودي التبريد 7، والتي تبين مزايا عديدة مقارنة مع مخططات تخفيض 7 و 8 و 9.
الفكرة الرئيسية للبرنامج هي حدودي لتوظيف anharmonicity من ODT عبرت الحزم، مما يجعل ذرات سخونة بالقرب من حافة إمكانية محاصرة يشعر الترددات محاصرة أقل من الذرات الباردة في المركز. يسمح هذا anharmonicity ذرات سخونة ليطرد بشكل انتقائي من فخ عندما تحوير إمكانية محاصرة في الترددات الرنانة مع الذرات ذات الطاقة العالية.
بروتوكول تجريبي التبريد حدودي يتطلب الغاز noninteracting تبرد قبل فيرمي بالقرب من درجة حرارة المنحطة. لتنفيذ هذا البروتوكول، يتم استخدام المغير صوتية-البصرية (AOM) لتعديل شدة الحزم محاصرة من قبل مراقبة التدليس الماليز تضمين التردد، وعمق والوقت. للتحقق من تأثير التبريد، وحققت في سحابة ذرية التصوير امتصاص الوقت من الطيران (TOF)، حيث شعاع الليزر الرنانة ينير سحابة ذرية وظلال امتصاص يتم التقاطها بواسطة المسؤول إلى جانب جهاز (CCD) الكاميرا. خصائص السحابية، مثل عدد ذرة، والطاقة، ودرجة الحرارة، هي التي تحدد كثافة العمود. لتوصيف تأثير التبريد، ونقيس الاعتماد على الطاقات سحابة على الأوقات التشكيل المختلفة.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
ملاحظة: هذا البروتوكول يتطلب جهاز ذرة البرودة المدمج المنزلية بما في ذلك المعدات التالية: اثنان الخارجية الليزر تجويف الصمام الثنائي (ECDL)، الإعداد تأمين لECDL تردد تأمين 10 أوفست، ليزر الألياف لODT، وهو AOM لتعديل كثافة الليزر ، نظام الترددات الراديوية (اللاسلكية) هوائي مع مولد المصدر والسلطة مكبر للصوت، ونظام التصوير امتصاص مع كاميرا CCD، برنامج كمبيوتر لتوقيت تسلسل والحصول على البيانات (دق)، برنامج كمبيوتر لمعالجة التصوير وتحليل البيانات، زوج من المغناطيسات الكهربائية لMOT والتحيز الحقول المغناطيسية، وفراغ الغرفة عالية جدا بما في ذلك فرن البخار لي 6 وزيمان أبطأ (كما هو موضح في الشكل رقم 1).
تحذير: يتم استخدام أشعة الليزر ثلاثة من القوى وأطوال موجية مختلفة. يرجى الاطلاع على ورقة بيانات السلامة الليزر ذات الصلة واختيار نظارات المناسبة سلامة الليزر.
1. توقيت مقاولاترول
ملاحظة: يتم التحكم في جميع سلاسل توقيت من قبل 128 قناة بطاقة PCI دق من خلال برنامج مراقبة توقيت. حل تسلسل توقيت 100 ميكرو ثانية. وتستخدم العديد من البرامج أجهزة التحكم للسيطرة على إعدادات الصكوك، مثل الألياف الليزر وظيفة التعسفي مولد (AFG)، ODT AFG التعسفي نبض مولد (APG)، حدودي AFG تعديل، متعدد MOT، مولد الترددات اللاسلكية، وغيرها.
- فتح برنامج مراقبة توقيت وبرامج المكافحة للصكوك.
ملاحظة: يرسل برنامج مراقبة توقيت TTL (منطق الترانزستور الترانزستور) إشارات إلى محطات التحكم لتشغيل ملفات التحكم توقيت. ترتبط بعض الأدوات إلى جهاز الكمبيوتر عن طريق GPIB (IEEE 488) للتحكم في الوقت الحقيقي. - إرسال ملف توقيت التجربة وتعيين المعلمات توقيت كما هو موضح في الجدول رقم 1.
ملاحظة: بعد تسلسل MOT توقيت ويتضح أيضا من الشكل 2. 2. CCD كاميرا التحضير - تشغيل برنامج تشغيل الكاميرا CCD وبرنامج سيطرتها. ضبط الكاميرا CCD إلى (PIV) وضع صورة الجسيمات السرعة بواسطة 11. تعيين وقت التعرض CCD إلى 5 مللي ثانية.
ملاحظة: وضع التعريف الشخصي يقلل من الفجوة الزمنية بين الإطار الإشارة والمرجعية، مما يزيد من نسبة الإشارة إلى الضوضاء من التصوير الاستيعاب. - استخدام الزناد خارجي للسيطرة على التعرض CCD
ملاحظة: يتم سرد الساعة CCD الزناد في الجدول 1. - التحضير ليزر MOT
ملاحظة: الإعداد البصرية والنتائج ذات الصلة من طريقة DLCM يرد في المرجع 10.- تشغيل سخان خلية بخار الذري 6 لي وتدفئتها إلى 340 ° C.
- الاحماء ليزر قفل AOM لمدة 1 ساعة.
- تشغيل وحدة تحكم قفل تردد الليزر وفتح برامجها. بدوره على الليزر تعديل صريف والحالي للECDL في البرنامج.
ملاحظة: تضمين التردد والسعة للتعديل صريف يتم تعيين إلى 5 هرتز و 1.0 V على التوالي. يتم تعيين تضمين التردد والسعة للتعديل الحالي إلى 100 كيلوهرتز و 0.0015 على التوالي V ص للحد من عرض الخط الطيفي لليزر 10. - بدوره على الانبعاثات ECDL.
ملاحظة: ضوء الليزر يمر عبر الإعداد البصرية MOT وتصل إلى غرفة التجربة فراغ. - قليلا ضبط تيار الليزر ECDL يدويا لضبط التردد ليزر حتى لاحظ إشارة خطأ القفل في ل2 خط 6 لي D، كما هو مبين في الشكل 3B.
- تعيين نقطة القفل في برنامج التحكم إلى S 2 2 1/2 (F = 3/2) → 2 2 P 3/2 الانتقال (انظر الأرقام 3A، 3B). ثم قفل تردد الليزر لهذا الانتقال، وتعديل وجهة القفل إلى مركز للمرحلة الانتقالية 10.
ملاحظة: عندما يتم تأمين تردد الليزر، تظهر إشارة خطأ القفل في تقلب صغير عند نقطة قفل المقابلة لتذبذب تردد حول نقطة القفل.
- التحضير ليزر التصوير
ملاحظة: الإعداد البصرية والنتائج ذات الصلة في طريقة قفل تعويض يتم عرض في مرجع 10.- بدوره على تعويض تأمين مولد إشارة الترددات اللاسلكية.
- بدوره على تعديل من صريف، وزيادة السعة تعديل ل2 V.
- تكرار عملية ضبط تردد في 3.1.4.-3.1.5. للحصول على تردد الليزر إشارة خطأ الضرب في الذبذبات والترددات اللاسلكية محلل الطيف.
- قفل تردد الليزر إلى إشارة الضرب من تعويض تأمين من خلال وحدتين ردود الفعل PID.
ملاحظة: عندما يتم تأمين تردد الليزر، فإن الطيف للإشارة الضرب في الطيف الترددات اللاسلكية تتوقف عند نقطة الغلق.
- بدوره على APGوAOM شعاع التصوير.
- تعيين المدة نبض التصوير إلى 10 ميكرو ثانية، وضبط الوقت الفاصل بين الإطارات التصوير سنتين إلى 5.5 مللي ثانية.
- ضبط شدة شعاع التصوير إلى حوالي 0.3 جلست، حيث جلست = 2.54 ميغاواط / سم 2 هو استيعاب الكثافة المشبعة من D 2 خط 6 لي.
- المصدر أتوم بطيئة
- تشغيل سخانات الفرن.
- بعد درجات حرارة الفرن تصل إلى منطقة العمليات (راجع الجدول 2)، وتشغيل مراوح التبريد لزيمان أبطأ. ثم زيادة ببطء تيار أبطأ إلى 9.2 A. بدوره على تيار لفائف كروس اثنين إلى 7 A و 1 A على التوالي.
ملحوظة:هو الأمثل لتوزيع درجة حرارة الفرن المدرجة في الجدول رقم 2 للإيزاء وعمرها المصدر الذري 12. يظهر موقع سخانات على فرن في الشكل (4). - إلغاء حظر زيمان أبطأ شعاع الليزر يدويا عن طريق فتح مصراع الذري. ضبط تردد من شعاع الليزر إلى 192 ميغاهيرتز الحمراء detuned-مع S 2 2 1/2 (F = 3/2) → 2 2 P 3/2 الانتقالية.
ملاحظة: مع هذا الإعداد، يتم إبطاء سرعة ذرات انخفاضا من 1400 م / ث إلى 100 م / ث. يظهر زيمان أبطأ في الشكل (5).
- المغناطيسي التدرج الميدان
ملاحظة: يستخدم هذا الجهاز زوج من لفائف التي تسيطر عليها دائرة التبديل-H جسر لإنتاج إما مضاد للهيلمهولتز أو المجال المغناطيسي هيلمهولتز. لفائف والمياه المبردة لمنع ارتفاع درجة الحرارة.- تتحول ببطء على تدفق المياه إلى 6 غالونات / دقيقة.
- تعيين H-جسر لتكوين مجال مغناطيسي مكافحة هيلمهولتز عن طريق تشغيل برنامج مكافحة توقيت مع ملف توقيت MOT التحميل.
- بدوره على امدادات الطاقة المغناطيس، وضبط الحالي من كل ملف إلى حوالي 18 ألف عبر برنامج سيطرتها، مما يخلق التدرج المجال المغناطيسي من حوالي 22 G / سم للMOT.
ملاحظة: لوحظ A MOT ثابت في غرفة التجربة بعد تشغيل التدرج المجال المغناطيسي على.
- MOT الديناميكي
ملاحظة: الإعداد البصري لل6 لي MOT يحتوي على ثلاثة أزواج من مكافحة نشر الحزم MOT مع جميع أزواج متعامدة مع بعضها البعض. يتضمن كل شعاع MOT شعاع التبريد وشعاع repumping. شدة وdetunings تردد من الحزم، والتي تسيطر عليها AOMs، وتتنوع في المراحل الثلاث. يتم تعيين الفولتية السيطرة على AOMs عبر الدوائر المضاعف يقودها نظام التحكم في التوقيت. يتم سرد المعلمات لمدة ثلاث مراحل في الجدول 3. يكمن البصريةمن الحزم MOT هو مبين في الشكل (6).- تحميل وتجميع وتشغيل الملف التجربة توقيت في برنامج مكافحة توقيت في حلقة مع مراقبة البرامج. يبدأ توقيت التجربة مع المرحلة MOT التحميل. رصد إشارة MOT مضان في مكشاف ضوئي لتصل إلى 2 V، مما يدل على حوالي 10 9 الذرات في MOT.
ملاحظة: مضان من MOT يتم جمعها من قبل مع عدسة زاوية المكانية من حوالي 10 -4 راد. ويمكن حساب عدد ذرة مرحلة التحميل من قبل الأسلوب في المرجع 13. - استخدام مصراع الضوئية لمنع شعاع تباطؤ قبل انتهاء مرحلة التحميل.
ملاحظة: توقيت تباطؤ مصراع شعاع هو أيضا تحت سيطرة توقيت التجربة، وهي شركة مدرجة في الجدول 1. - شدة تعيين وdetunings تردد من أشعة الليزر MOT وفقا للجدول 3 للمرحلة التبريد.
ملاحظة: بعد مرحلة التبريد، ودرجة حرارةيتم تخفيض MOT إلى حوالي 300 μK. - وبالنسبة للمرحلة الضخ، برنامج التجربة ملف توقيت لإيقاف الحزم repumping مع AOM.
ملاحظة: مضخات المرحلة ضخ جميع الذرات إلى أدنى الدول فائق الدقة 2 2 S 1/2 (F = 1/2). - إيقاف الحزم MOT وتحويل ليزر تردد 30 ميغاهيرتز أدناه صدى الانتقال الذرية التي كتبها AOM، ومنع تسرب الضوء من AOMs مع مصاريع البصرية.
ملاحظة: بعد مرحلة MOT، فإن أي تسرب ضوء الرنانة إلى سحابة نووية يؤدي إلى فقدان ذرة. يتم سرد توقيت السيطرة AOM وMOT شعاع مصراع كل ما في الجدول 1. - بعد MOT الديناميكي، الحصول على لقطة التصوير من الكاميرا. الحصول على التصوير امتصاص MOT.
ملاحظة: العدد الذري للMOT حوالي 10 7 بعد مرحلة الضخ. ويظهر صورة امتصاص نموذجية من MOT في الشكل 7A.
- تحميل وتجميع وتشغيل الملف التجربة توقيت في برنامج مكافحة توقيت في حلقة مع مراقبة البرامج. يبدأ توقيت التجربة مع المرحلة MOT التحميل. رصد إشارة MOT مضان في مكشاف ضوئي لتصل إلى 2 V، مما يدل على حوالي 10 9 الذرات في MOT.
- مصيدة ثنائي القطب البصرية
ملاحظة: ODT هو الأداة الرئيسية لتوليد الغازات الشديدة البرودة فيرمي. من أجل توليد ODT عميق، ليزر الألياف مع قوة انبعاث 100 W في 1064 نانومتر الطول الموجي يستخدم. يظهر الإعداد ODT في الشكل 8.- بدوره على تدفق المياه لتبريد مقالب شعاع الليزر.
- تعيين السيطرة على الجهد ODT AOM إلى 1 V يدويا. بدوره على الليزر الألياف مع السلطة الانبعاثات 13 W.
- تحقق البصريات ODT مع المشاهد ضوء الأشعة تحت الحمراء، وإزالة أي غبار مع تدفق غاز الأرجون.
ملاحظة: الغبار على البصريات يمكن تغيير الوضع المكاني للODT، ويسبب عدم استقرار ODT. - قيادة AFG الألياف الليزر لتوليد نبضة ليزر عن طريق برنامج مكافحة AFG.
ملاحظة: إخراج نبضة ليزر يتم تشغيل من قبل توقيت التجربة، وتعيين وقت بدء هذا النبض إلى 14 مللي ثانية قبل نهاية المرحلة MOT التحميل. والنبضويظهر ه السيطرة تسلسل في الشكل 1، ويتم سرد توقيت في الجدول 1. - يدويا تعيين السيطرة على الجهد ODT AOM إلى 8 V (80٪ من الطاقة الترددات اللاسلكية المشبعة).
ملاحظة: الحد الأقصى لقوة الترددات اللاسلكية للسائق AOM ينبغي أن يقتصر على 80٪ من الطاقة المشبعة للحد من تأثير يصور فوتوغرافيا الحراري. - الحصول على الصور امتصاص MOT وODT من الكاميرا.
ملاحظة: التحقق من تداخل MOT وODT من خلال التصوير استيعابهم. ويبين الشكل 7B الصور امتصاص نموذجية من MOT وODT، على التوالي.
- التحيز المجال المغناطيسي وتدور خلط الترددات اللاسلكية الميدان
ملاحظة: من أجل توليد غاز فيرمي التفاعل، يتم تطبيق حقل مغناطيسي التحيز في الاتجاه الرأسي لضبط الصورة -wave طول التشتت.- تعيين H-جسر في برنامج التجربة توقيت بحيث يتغير تكوين المجال المغناطيسي من مكافحة هيلمهولتز لهيلمهولتز.
ملاحظة: هيلملفائف هولتز توليد مجال مغناطيسي التحيز لضبط التفاعل interatomic. - تعيين الحقل المغناطيسي التحيز إلى 330 G في القناة 2 و 527.3 G في قناة 3 من برنامج مكافحة المغناطيس.
- برنامج التجربة توقيت تسلسل لاكتساح المجال المغناطيسي من 0 إلى 330 G G بعد تشغيل MOT قبالة.
ملاحظة: هذا الاجتياح المجال المغناطيسي بإعداد التفاعل ضعيف 6 الغاز لي فيرمي لالتبريد التبخيري القياسية. - البرنامج اكتساح المجال المغناطيسي من 330 G 527 G لnoninteracting غاز فيرمي 14.
ملاحظة: تسلسل المجال المغناطيسي من 6.2.1-6.2.4. هو مبين في الشكل (1)، ويتم سرد توقيت في الجدول 1. - تطبيق نبض الترددات اللاسلكية صاخبة لإنشاء 50:50 مزيج من اثنين من أدنى الدول فائق الدقة 2 2 S 1/2 (F = 1/2، م F = ± 1/2) من 6 لي.
- توليف تردد الليزر مقفل الرنانة مع ذرات في527.3 G (الموافق الانتقال 2 2 S 1/2 (F = 1/2، م F = -1/2) → 2 2 P 3/2 في الحقل المغناطيسي للأرض منخفضة) عن طريق تغيير وتيرة الانتاج إشارة الترددات اللاسلكية مولد كهرباء.
ملاحظة: إن تردد الرنين يزيد عدد ذرة من التصوير امتصاص، والذي يستخدم لتوجيه تعديل التردد. فقط يتم تصوير الذرات تدور أسفل لعرض سحابة ذرية لأنه يتم استخدام خليط تدور 50:50 للتجربة.
- تعيين H-جسر في برنامج التجربة توقيت بحيث يتغير تكوين المجال المغناطيسي من مكافحة هيلمهولتز لهيلمهولتز.
- التبريد التبخيري من فخ خفض
ملاحظة: يتم استخدام التبريد التبخيري القياسي لتبريد الذرات fermionic من 6 لى بالقرب من نظام منحط. يتم التحكم في المرحلة الأولى من التبريد التبخيري من نبضة ليزر الألياف ويتم التحكم الثاني من ODT AOM. سيتم استخدام غاز فيرمي شبه تتدهور كعينة للتبريد حدودي.- بدء المرحلة الأولى من التبخر تبريد الطرافةح برنامج حاسوبي لمراقبة من قبل ينبض قوة ألياف الليزر، مما يزيد من عمق فخ ODT لU 0 ومن ثم إلى 0.1 U 0 (U 0 هو عمق فخ الكامل مع قوة الليزر 100 W). الوقت الإجمالي من هذه المرحلة هو 0.5 ثانية.
ملاحظة: مدة النبضة المقابلة لU 0 ينبغي أن يقتصر على 0.5 الصورة لتجنب تأثير يصور فوتوغرافيا الحراري. - برنامج AOM ODT مع منحنى الأسي كما هو موضح في الشكل (1). بعد الانتهاء من المرحلة الأولى من التبريد التبخيري، انتظر 30 مللي ثانية، ثم تبدأ المرحلة الثانية من التبريد التبخيري عن طريق خفض عمق فخ من 0.1 U 0-،01 U 0 من خلال AOM ODT. الوقت الإجمالي من هذه المرحلة هو 1.5 ثانية.
- الحصول على التصوير امتصاص الذرات الباردة بعد التبريد التبخيري.
ملاحظة: يتم ترك حوالي 10 5 الذرات في ODT بعد التبريد التبخيري، والتي يمكن أن تحسب منصورة الاستيعاب.
- بدء المرحلة الأولى من التبخر تبريد الطرافةح برنامج حاسوبي لمراقبة من قبل ينبض قوة ألياف الليزر، مما يزيد من عمق فخ ODT لU 0 ومن ثم إلى 0.1 U 0 (U 0 هو عمق فخ الكامل مع قوة الليزر 100 W). الوقت الإجمالي من هذه المرحلة هو 0.5 ثانية.
- فخ العمق التحوير
- الانتظار 100 مللي ثانية بعد الاجتياح المغناطيسي لل527.3 G. تعدل عمق فخ مع ODT AOM التي كتبها U (ر م) = 0.01 U 0 (1 + δ كوس (ω م ر م))، حيث δ هو عمق التشكيل وω م هو تضمين التردد. ضبط الوقت التشكيل ر م في برنامج حدودي تعديل السيطرة AFG. يظهر التسلسل الزمني للتعديل في الشكل 1.
ملاحظة: هذه هي الخطوة الرئيسية لتنفيذ التبريد حدودي. - برمجة APG للافراج عن ذرات من ODT من خلال تحويل فجأة الحزم محاصرة. السماح للغاز توسيع المقذوفات ل 300 ميكرو ثانية قبل تطبيق التصوير الاستيعاب.
ملاحظة: يتم استخدام التوسع الباليستية مع التصوير امتصاص TOF للحصول على تمبrature الذرات الباردة. - الحصول على صورة امتصاص الذرات الباردة بعد التبريد حدودي.
- الانتظار 100 مللي ثانية بعد الاجتياح المغناطيسي لل527.3 G. تعدل عمق فخ مع ODT AOM التي كتبها U (ر م) = 0.01 U 0 (1 + δ كوس (ω م ر م))، حيث δ هو عمق التشكيل وω م هو تضمين التردد. ضبط الوقت التشكيل ر م في برنامج حدودي تعديل السيطرة AFG. يظهر التسلسل الزمني للتعديل في الشكل 1.
- قياس الزمن الاعتماد
ملاحظة: في عملنا السابق 7، وجدنا تردد الأمثل للتبريد حدودي لتكون 1.45 ω x، حيث ω x هو تردد محاصرة شعاعي من ODT عند 0.01 U 0. باستخدام هذا التردد، يمكننا بشكل انتقائي إزالة الذرات ذات الطاقة العالية على طول الاتجاه المحوري.- تعيين عمق التشكيل لδ = 0.5 عن طريق برنامج حدودي تعديل السيطرة AFG.
- استخدام وظيفة السيطرة على الزناد الخارجية للAFG تعديل حدودي لتغيير وقت تعديل 0-600 مللي من خلال تغيير الأرقام دورة التشكيل.
ملاحظة: مع زيادة الوقت التشكيل، سيتم تخفيض حجم السحابة الذرية، وخاصة الاتجاه المحوري. وتظهر النتائج ذات الصلة في الشكل 9. الحصول على لقطة التصوير من الكاميرا. حفظ وتحليل الصور من خلال برنامج مكافحة CCD.
يستخدم كاميرا CCD لتسجيل التصوير امتصاص الذرات الباردة، والذي هو أداة تشخيصية الرئيسية الذرات الباردة: ملاحظة.
3. 671 نانومتر التحضير ليزر
ملاحظة: 671 نانومتر واحد ECDL تردد مع 500 ميغاواط انتاج الطاقة واستخدامها لتوليد التبريد MOT والحزم محاصرة. يستخدم آخر 671 نانومتر ECDL من 35 ميغاواط للتصوير الاستيعاب. ليزر الرقمي طريقة التشكيل الحالي (DLCM)يتم تطبيق لتحقيق الاستقرار تردد الليزر 10. وتظهر المتعلقة 6 مستويات الطاقة لى فى الشكل 3A. مطلوب غرفة استقرار درجة حرارة 20 ± 1 ° C من أجل تحقيق الاستقرار الأمثل للقفل تردد الليزر.
4. امتصاص إعداد التصوير
ملاحظة: يتم بحثها الذرات مع التصوير الاستيعاب، والذي يحتاج إلى إطارات الصور. أول واحد مع ذرات هو الإطار الإشارة، والثانية دون الذرات هو الإطار المرجعي.
5. ذرات التبريد مع MOT
ملاحظة: MOT هي طريقة التبريد المستخدمة على نطاق واسع في التجارب ذرات الشديدة البرودة. هذا القسم يولد MOT حوالي المليار 6 ذرات لى فى حوالى 300 μK.
7. حدودي التبريد
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
باستخدام هذا البروتوكول، ونحن دراسة الاعتماد على التبريد حدودي على الوقت التشكيل مع تضمين التردد الأمثل والسعة، وكلاهما تم تحديدها في المنشور السابق لدينا 7. علينا أولا إعداد غاز فيرمي noninteracting من 6 ذرات لي في غضون أقل الدول فائق الدقة مع درجة حرارة T / T F ≈ 1.2. هنا، T F = (6N) 1/3 ħ ω / ك B = يتحدد 5.2 μK مع عدد ذرة N = 1.7 × 10 5 في كل دورة ومتوسط هندسي تردد محاصرة ω = (ω ω خ ذ ω ض) 1 / 3 = 2π × (2250 × 2450 × 220) 03/01 هرتز، ħ هو انخفاض ثابت بلانك، و k B هو ثابت بولتزمان. الوقت-وتظهر نتائج تعتمد في الشكل 9 مع تضمين التردد من 1.45ω س، وعمق التشكيل 0.5. الصور امتصاص TOF من الغيوم النووية (الشكل 9A) تظهر انخفاض ملحوظ في حجم سحابة المحوري مع زيادة الوقت التشكيل، مما يدل على درجة الحرارة المطلقة ينخفض باستمرار من قبل التبريد حدودي.
لوصف كمي لتأثير التبريد، ونحن نستخدم E (خ، ض) / E F باعتبارها قياس الحرارة الفعالة للغازات البرودة فيرمي 7، حيث E F هو طاقة فيرمي وE (خ، ض) هي الطاقات سحابة نووية في شعاعي والاتجاهات المحورية على التوالي. نحن أولا استخراج عدد المستقلة حجم مربع متوسط (NIMS) من سحابة ذرية. ثم من NIMS، نحسب E (خ، ض) / E F في الشكل 9ب. بعد حوالي 500 مللي التشكيل، يتم تقليل ض E / E F كبير 1،80-0،90 وE س / E F يزداد قليلا قليلا 1،20-1،25. الأرقام الذرية انخفاض في الشكل 9B أقحم تشير يطردون الذرات من الفخ. نجد أن التبريد حدودي يتغير الطاقة سحابة نووية بطريقة متباين الخواص، الذي الطاقة في الاتجاه المحوري أقل من الطاقة فيرمي في حين أن واحدة شعاعي لا يزال أعلى من طاقة فيرمي. وتجدر الإشارة إلى أن الطاقات غير متكافئة الأولية في المحوري والاتجاه شعاعي (الشكل 9B) تم إنشاؤه بواسطة فخ سريع خفض المطبقة في القسم 6.3. بعد التبريد حدودي، يتم تقليل الطاقة الاتجاه المحوري بشكل كبير في حين يتم تغيير الطاقة الشعاعية بالكاد. هذه النتيجة تشير إلى الطريقة التي التبريد حدودي يتغير سحابة الطاقة متباين الخواص. هذا تأثير متباين الخواص ويرجع ذلك إلى حقيقة أنanharmonicity المهيمنة من ODT عبرت الحزم على طول الاتجاه المحوري 7. هذه العينات متباين الخواص الديناميكية الحرارية يمكن استخدامها لدراسة العمليات thermalization في نظام الكم الجسم الكثير من التفاعل.
الشكل 1: نظام فراغ عالية جدا. فراغ الغرفة لجهاز الذرة شديدة البرودة في IUPUI. 1. الفرن، 2. زيمان أبطأ، 3. لفائف المغناطيس، 4. غرفة التجربة و5. كاميرا CCD. الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الشكل 2: توقيت تسلسل تبريد حدودي. المنحنى الأسود هو توقيت قوة ألياف الليزر. المنحنى الأحمر هو واحد سو ODT AOM التوقيت. يمثل منحنى السماوي الحقل المغناطيسي للأرض. منحنى البرتقالي هو النبضات TOF التصوير. يظهر المحور الأفقي النطاق الزمني لكل مرحلة. الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الشكل (3): مستويات الذرية من 6 لي وتردد الليزر تأمين الأطياف. أ) 6 لي D 2 الانتقال للتبريد وrepumping الحزم من MOT. ب) منحنى الأصفر هو المشبعة أطياف امتصاص خالية من دوبلر من 6 لى D 2 خط، والمنحنى الأحمر هي ذات الصلة للانغلاق في إشارة خطأ. ذروة اليسرى 2 2 S 1/2 (F = 3/2) → 2 2 P 3/2 الانتقالية، حق واحد هو 22 S 1/2 (F = 1/2) → 2 2 P 3/2 الانتقالية، واحد الأوسط هو إشارة تقاطع التحولات اثنين. الصليب اندفاعة هو نقطة القفل. الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الشكل 4: 6 لي الفرن. يحتوي كل قسم وصفت التحكم في درجة حرارته ملف التسخين للفرن لإخراج تدفق الذري المطلوبة. الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
فيقو إعادة 5: زيمان أبطأ. لفائف كروس هو المقطع الأخير من زيمان أبطأ. الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الشكل 6: MOT تخطيط البصرية. الإعداد البصرية لجيل من MOT وتباطؤ أشعة الليزر. الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الشكل 7: MOT والصور امتصاص ODT. أ) صورة MOT بعد ضخ المرحلة. ب) صورة من MOT المتراكبة وODT._upload / 55409 / 55409fig7large.jpg "الهدف =" _ فارغة "> الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم.
الرقم 8: عبرت الشعاع ODT تخطيط البصرية. زاوية عبور ODT هي 2θ = 12 درجة. الليزر الألياف AFG تسيطر على ينبض من الليزر، وODT AFG يتحكم في فخ خفض منحنى، وتعديل حدودي AFG يسيطر على تعديل كثافة الليزر. الخصر شعاع كل من الحزم حوالي 37 ميكرون. الاستقطاب من الحزم الأول هو الرأسي واستقطاب شعاع الثاني هو أفقي. الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الرقم 9: الزمانقياس الاعتماد التبريد حدودي. أ) الصور امتصاص الغيوم النووية المرات التشكيل المختلفة. ب) اعتماد E (خ، ض) / E F في الوقت المحدد تعديل (الدوائر الزرقاء هي لE ض / E F والمربعات الحمراء هي لE س / E F). الرقم أقحم هو عدد ذرة مقابل الوقت التشكيل. تمثل أشرطة الخطأ انحراف معياري واحد. الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
| MOT تحميل على | نقطة البداية |
| الوقت MOT تحميل | 10 ثانية |
| MOT التبريد على | MOT تحميل قبالة |
| الوقت MOT التبريد | 5 مللي ثانية |
| MOT ضخ على | MOT تهدئة |
| الوقت MOT الضخ | 100 ميكرو ثانية |
| MOT AOM قبالة | MOT قبالة (نفس MOT ضخ إيقاف) |
| زيمان أبطأ شعاع مصراع على | 200 مللي ثانية قبل تحميل MOT قبالة |
| شعاع MOT مصراع على | MOT قبالة |
| الليزر التبخر الألياف التبريد وقت البدء | 14 مللي ثانية قبل نهاية MOT تحميل |
| ODT التبريد التبخيري وقت البدء | 500 مللي ثانية بعد MOT قبالة |
| H-جسر وقت التبديل | MOT قبالة |
| المغناطيسي بداية الاجتياح ميدان الساعة (0-330 G) | MOT قبالة |
| المغناطيسي الاجتياح الحقل وقت البدء (من 330 إلى 527.3G) | 2000 مللي ثانية بعد MOT قبالة |
| حدودي التبريد وقت البدء | 2500 مللي ثانية بعد MOT قبالة |
| التصوير في الوقت نبض الزناد | 3200 مللي ثانية بعد MOT قبالة |
| CCD وقت الزناد | 100 ميكرو ثانية قبل وقت الزناد نبض التصوير |
الجدول 1: التجريبية تحكم توقيت. توقيت المعلمات تسلسل للسيطرة على الأدوات التجريبية. يبدأ تسلسل توقيت في تحميل MOT والتبريد والضخ. قبالة MOT هو نقطة وقت بعد MOT الضخ.
| قناة 1 | قناة 2 | قناة 3 | قناة 4 | قناة 5 |
| 348 ° C | 354 ° C | 434 ° C | 399 ° C | 372 ° C |
الجدول 2: أوفن التعريف درجة الحرارة. يعمل الفرن 6 لى فى تدفق الأمثل مع درجات الحرارة المدرجة.
| مرحلة | جار التحميل | تبريد | ضخ | |||
| الحزم | تبريد | Repumping | تبريد | Repumping | تبريد | Repumping |
| Detuning من الانتقال مقفل (ميغاهرتز) | -28 | -28 | -5 | -5 | -2 | إيقاف |
| كثافة (جلست) | 2 | 1 | 0.1 | 0.05 | 0.08 | إيقاف |
الجدول 3: مراحل MOT خصائص. تم تصميم تسلسل مرحلة MOT لتعظيم عشرعدد (ه) من الذرات على أن يتم تحويلها إلى ODT.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
نقدم بروتوكول تجريبي لتبريد حدودي غاز فيرمي noninteracting في فخ البصرية عبر الحزم. وتشمل الخطوات الحاسمة لهذا البروتوكول: أولا، يحتاج غاز فيرمي المحاصرين بصريا إلى أن تبرد بالقرب من درجة حرارة المنحطة عن طريق خفض عمق الفخ. ثانيا، يتم اختيار تضمين التردد الذي هو الرنانة مع المكون anharmonic من احتمال محاصرة. ثالثا، التضمين كثافة شعاع محاصرة لتبريد سحابة ذرية وقياس الاعتماد على الطاقة سحابة على الوقت التشكيل.
مقارنة مع نظام خفض الفخ، نظام التبريد حدودي يوفر طريقة انتقائية لإزالة الذرات ذات الطاقة العالية من فخ البصرية دون تخفيض عمق الفخ. فهو يساعد على زيادة كثافة مرحلة وتبريد غاز فيرمي noninteracting. لأن مثل هذا التبريد حدودي عادة ما يكون متباين الخواص، فإنه يوفر أيضا وسيلة مريحة لتعديل تباين درجة الحرارة في الغاز الكموفاق.
لتمكين التبريد حدودي، يتطلب البروتوكول الحالي غاز فيرمي بالقرب من درجة حرارة تتدهور كنقطة انطلاق. يقتصر تأثير التبريد أيضا في الاتجاه المحوري للإمكانات محاصرة. هي سبب هذه القيود اثنين من anharmonicity محدود من ODT عبرت الحزم التي يتم إجراؤها بواسطة أشعة الليزر جاوس في البروتوكول الحالي. تمديد هذه الطريقة لأنواع مختلفة الذرية وتطبيقه لأكبر لدرجات الحرارة، ونحن بحاجة إلى زيادة anharmonicity من احتمال محاصرة.
نقترح اثنين من التحسينات لهذه التقنية التبريد. أولا، التبريد حدودي يمكن تنفيذها مع إمكانية محاصرة مع anharmonicity كبيرة في جميع الاتجاهات الثلاثة، مثل الفخاخ مربع 15 أو قوة القانون الفخاخ 16، والذي لديه القدرة على تبريد مباشرة ذرات المحاصرين من الدولة الحرارية في النظام تتدهور دون تتطلب خفض فخ البصرية فيالكل. ثانيا، عن طريق هز دوري احتمال محاصرة البصرية من خلال AOM 17، يمكننا تجميع فخ البصرية مع anharmonicity كبيرة باستخدام طريقة 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).
