[論文レビュー] Configurable microscopic optical potentials for Bose-Einstein condensates using a digital-micromirror device

Guillaume Gauthier, Isaac C. D. Lenton+5 more|arXiv (Cornell University)|May 16, 2016

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、デジタル・ミクロミラー素子（DMD）を用いた直接像取りを用いて、ボーズ＝アインシュタイン凝縮体（BEC）の高分解能で動的に設定可能な光学的トラップを実証した。532 nm光を用いた場合、全波幅半最大（FWHM）分解能は630(10) nmであり、780 nm光を用いた場合960(80) nmであった。これは、従来のDMDベースのトラッピングと比較して7倍以上の向上を達成した。この手法により、原子分布や時間平均ポテンシャルに対するほぼ任意の制御が可能となり、加熱を最小限に抑えることができ、高度な量子ガス実験を支援する。

ABSTRACT

The development of novel trapping potentials for degenerate quantum gases has been an important factor driving experimental progress in the field. The introduction of spatial light modulators (SLMs) into quantum gas laboratories means that a range of configurable geometries are now possible. Here we demonstrate the production of arbitrary and dynamic high-resolution traps for Bose-Einstein condensates (BECs) using a (1200 x 1920) pixel digital-micromirror device (DMD) and commercially available microscope objectives. Direct imaging of the DMD provides significant advantages over phase-based SLMs, while still providing high resolution projected patterns. We find that atoms confined in a hybrid optical/magnetic or all-optical potential can be patterned using repulsive blue- detuned (532 nm) light with 630(10) nm full-width at half-maximum (FWHM) resolution, while imaging at 780 nm similarly achieves 960(80) nm resolution FWHM, within 5% and 8% of the diffraction limit respectively. This performance is > 7 times improved over previously reported DMD trapping. The result is near arbitrary control of the atomic distribution over the spatial extent of the BEC trapping volume. Furthermore, we produce time-averaged potentials with the DMD, demonstrating the ability to produce multiple grayscale levels with minimal heating of the atomic cloud. These techniques, along with the high level of dynamic control afforded by DMDs, will enable the realization and control of diverse optical potentials for superfluid dynamics and atomtronics applications with quantum gases.

研究の動機と目的

• 超低温量子ガスのための光学的ポテンシャルを、高configurableかつ動的に生成する方法を開発すること。
• 位相ベースの空間光変調器の制限を克服するため、DMDを用いた直接像取りを採用することで、分解能の向上とセットアップの簡素化を実現すること。
• 高い空間分解能を達成する高分解能光学的トラッピングを実現し、BEC内の原子分布を精密に制御すること。
• 複数のグレースケールレベルを持つ時間平均ポテンシャルを生成し、原子クラウド内の加熱を最小限に抑えること。
• 動的かつ高精度な光学的ポテンシャル形状制御により、超流動ダイナミクスやアトムトロニクス分野の高度な応用を支援すること。

提案手法

• 1200 x 1920ピクセルのデジタル・ミクロミラー素子（DMD）を用いて、青色にシフトした（532 nm）および赤色にシフトした（780 nm）レーザー光を整形し、光学的トラッピングを実現する。
• 位相変調の代わりに、DMDパターンの直接像取りを採用することで、セットアップの簡素化と分解能の向上を図る。
• 商業用の顕微鏡レンズが、高い数値孔径を有することで、DMDパターンを介した光をBECに高分解能で投影する。
• 波面歪みを最小限に抑え、ビームの平行化を最適化することで、回折限界を下回る分解能を達成する。
• DMDミラーの高速スイッチングにより、グレースケール強度レベルを模倣する時間平均ポテンシャルを生成する。
• 本手法により、リアルタイムでのトラップ形状の再設定が可能となり、複雑なポテンシャルランドスケープの実現が可能となる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 DMDベースのシステムは、従来のDMD実装をはるかに上回る分解能を有するBEC用光学的ポテンシャルを生成できるか？
• RQ2 位相ベースのSLMと比較して、DMDの直接像取りは、分解能および安定性の面でどの程度向上するか？
• RQ3 DMDを用いて複数のグレースケールレベルを持つ時間平均ポテンシャルを生成でき、超低温原子クラウド内の加熱を最小限に抑えることができるか？
• RQ4 532 nmおよび780 nmの波長で、DMDが生成する光学的トラップの実現可能な空間分解能はどの程度か？
• RQ5 本システムは、量子シミュレーション応用のため、BEC内の原子分布に対して任意かつ動的制御を可能にするか？

主な発見

• 532 nm光を用いた場合、DMDベースのシステムは630(10) nmの全波幅半最大（FWHM）分解能を達成し、回折限界の5%以内に収まっている。
• 780 nm波長では、960(80) nmのFWHM分解能を達成し、回折限界の8%以内に収まっており、高精度なパターン投影が実証された。
• この分解能性能は、以前に報告されたDMDトラッピング技術と比較して、7倍以上の向上を示している。
• 本システムは、加熱を最小限に抑えつつ、ハイブリッド光学／磁気的または完全に光学的なトラップにおける原子の高分解能パターン形成を可能としている。
• 複数のグレースケールレベルを持つ時間平均ポテンシャルが正常に生成され、顕著な原子加熱を伴わず、複雑なポテンシャルランドスケープの実現が可能となった。
• 本手法により、BECトラップ体積の空間的範囲にわたり、原子分布に対するほぼ任意の制御が可能となり、高度な量子ガス実験の実現が促進された。