[論文レビュー] Driven Ratchets for Cold Atoms

Ferruccio Renzoni|arXiv (Cornell University)|Dec 5, 2011

stochastic dynamics and bifurcation被引用数 5

ひとこと要約

この論文は、レーザー誘起ポテンシャルと交流駆動を用いて、ニュートン的でない力のない状態で方向性のある原子輸送を実現する、冷却原子を用いた光学格子における実験的駆動型ラチェットを提示する。周期的または準周期的駆動によって空間時間対称性を破ることで、整流運動が実現され、電流の逆転や共鳴励起が観測される。主な結果は、対称性解析およびロッキングおよびゲーティングラチェット構成における位相依存速度制御によって確認された。

ABSTRACT

Brownian motors, or ratchets, are devices which "rectify" Brownian motion, i.e. they can generate a current of particles out of unbiased fluctuations. The ratchet effect is a very general phenomenon which applies to a wide range of physical systems, and indeed ratchets have been realized with a variety of solid state devices, with optical trap setups as well as with synthetic molecules and granular gases. The present article reviews recent experimental realizations of ac driven ratchets with cold atoms in driven optical lattices. This is quite an unusual system for a Brownian motor as there is no a real thermal bath, and both the periodic potential for the atoms and the fluctuations are determined by laser fields. Such a system allowed us to realize experimentally rocking and gating ratchets, and to precisely investigate the relationship between symmetry and transport in these ratchets, both for the case of periodic and quasiperiodic driving.

研究の動機と目的

• レーザー誘起の周期的ポテンシャルと揺らぎを用いて、冷却原子を用いた交流駆動型ラチェットを実験的に実現すること。
• 熱バスタイムが存在しない系において、対称性の破れが方向性輸送に果たす役割を調査すること。
• 周期的および準周期的駆動が整流効率と電流の方向性に与える影響を調査すること。
• 制御可能でチューナブルな冷却原子系において、ゲーティングおよびロッキングラチェット機構を実証すること。
• 理論的対称性に基づく予測が、ラチェット輸送メカニズムに関して実験的に裏付けられることを示すこと。

提案手法

• 反対方向のレーザー光線から生成される散乱的光学格子を用いて、超低温の87Rb原子を捕らえ、駆動する。
• レーザー強度の変調（乗法的駆動）と時間的に対称な振動力（加法的駆動）を用いて、交流駆動ポテンシャルを適用する。
• 調整可能な周波数比（ω₁/ω₂ = p/q）と相対位相（φ）を持つ二重調波駆動を実装し、対称性の破れを制御する。
• 整流および電流逆転を調べるために、原子の重心速度を駆動位相および周波数比の関数として測定する。
• 単一調波の加法的力と単一調波の乗法的変調を用いて、ゲーティングラチェット機構を実現する。
• ボーズ＝アインシュタイン凝縮と多次元格子を用いて、量子ラチェット効果および渦運動を探索する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 空間時間的駆動における対称性の破れは、熱バスタイムが存在しないラチェット系における方向性輸送をどのように制御するか？
• RQ2 周期的および準周期的駆動下で、交流駆動型ラチェットにおける電流逆転が生じる条件は何か？
• RQ3 周波数比 ω₂/ω₁ が整流効率および共鳴励起の出現に与える影響は何か？
• RQ4 従来のロッキングラチェットにおける調波混合と比較して、ゲーティングラチェット機構の特徴は何か？
• RQ5 チューナブルな光学格子とコherentな原子状態を用いて、量子ラチェット効果を冷却原子系で実現可能か？

主な発見

• 冷たい原子を用いたゲーティングラチェットが実験的に実現され、同期的なポテンシャル障壁の低減と交流力の適用によって方向性輸送が達成された。
• 原子の平均速度は位相オフセットφに対して正弦関数的依存を示し、v = v_max sin(qφ + φ₀) で最もよくフィットした。これは、対称性に基づく整流を確認するものである。
• 周波数比 ω₂/ω₁ = p/q において q が奇数である場合にのみ電流生成が観測され、理論的対称性条件によるネット輸送の妥当性が裏付けられた。
• ω₂ = ω₁ のとき電流の振幅が最大に達し、ゲーティングラチェット構成で共鳴増幅が生じることを示した。これは、ロッキングラチェットにおける調波混合メカニズムとは対照的である。
• 駆動位相および周波数の関数として電流の逆転が観測され、輸送方向の動的制御が可能であることが示された。
• 原子電流に対する精密な制御が達成され、リコイル速度（87Rbでは v_r = 5.9 mm/s）を単位として速度が測定された。これにより、ラチェットモデルの定量的ベンチマークが可能になった。