[論文レビュー] Enhanced observation time of magneto-optical traps using micro-machined non-evaporable getter pumps

Rodolphe Boudot, J. P. McGilligan+6 more|arXiv (Cornell University)|Aug 3, 2020

Atomic and Subatomic Physics Research参考文献 50被引用数 33

ひとこと要約

この論文は、レーザー活性化型非蒸発性ゲッター（NEGs）が磁気光学捕捉（MOT）の観察時間を劇的に延長することを示しており、単一のNEGを備えたMEMSセルで最大10分、五つのNEGsを備えたガラス吹き込みセルでは観察期間が4日以上、受動ポ pumping のみを用いる。

ABSTRACT

We show that micro-machined non-evaporable getter pumps (NEGs) can extend the time over which laser cooled atoms canbe produced in a magneto-optical trap (MOT), in the absence of other vacuum pumping mechanisms. In a first study, weincorporate a silicon-glass microfabricated ultra-high vacuum (UHV) cell with silicon etched NEG cavities and alumino-silicateglass (ASG) windows and demonstrate the observation of a repeatedly-loading MOT over a 10 minute period with a single laser-activated NEG. In a second study, the capacity of passive pumping with laser activated NEG materials is further investigated ina borosilicate glass-blown cuvette cell containing five NEG tablets. In this cell, the MOT remained visible for over 4 days withoutany external active pumping system. This MOT observation time exceeds the one obtained in the no-NEG scenario by almostfive orders of magnitude. The cell scalability and potential vacuum longevity made possible with NEG materials may enable inthe future the development of miniaturized cold-atom instruments.

研究の動機と目的

• 冷却原子デバイスの真空系をアクティブポンピングへの依存を抑えて小型化する動機づけ。
• マイクロ加工セルおよびガラス吹き込みUHVセルにおけるレーザー活性化NEGsのMOT観察時間への影響を示す。
• NEGsを用いた受動ポンピング下でのMOT減衰ダイナミクスと背景圧の定量化。
• NEGベースの受動ポンピングによるチップ規模原子計測機器の拡張性と寿命を評価する。

提案手法

• シリコン/ASG窓に埋め込みNEG空洞を備えたMEMS MOTセルを作製し、レーザー加熱によって単一NEGを活性化する。
• アルカリディスペンサーを用いてルビジウムMOTを作動させ、MOT蛍光とローディング曲線をモニターする。
• NEG活性化後に外部イオンポンプをオフにして、受動ポンピング性能を検討する。
• 5個のNEGsを備えたボロシリケートガラス吹き込みセルで、NEGsを逐次活性化し、MOT減衰と背景圧を測定する。
• MOT減衰を指数関数モデルで解析して、MOTと真空圧力ダイナミクスの時間定数を抽出する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 レーザー活性化NEGsを用いたMEMSおよびガラスセルで、アクティブポンピングなしにMOT観察時間をどれだけ延長できるか？
• RQ2 NEG活性化は背景圧とRb/非Rbガスのダイナミクスに短期・長期でどのような影響を与えるか？
• RQ3 活性化NEGsの数と受動ポンピングによる真空寿命の関係は？
• RQ4 ミニチュア真空環境でNEGsによる受動ポンピングは日数のMOTを支えられるか？
• RQ5 NEGベースの真空寿命を伴うMEMSベース冷却原子センサのスケーリングには何が示唆されるか？

主な発見

• 単一のレーザー活性化NEGがMEMSセルでのMOT観察時間を約10秒から>10分へ拡張。
• 5つのNEGsを備えたガラス吹き込みセルでは、受動ポンピング下でMOTが4日以上可視な状態を維持。
• NEG活性化は真空時間定数を増大させ、最終圧力の上昇が緩やかになり新しい定常状態へ到達。
• NEG活性化後のMOT減衰は初期期間を挟んで二重指数挙動で最適に説明され、時間定数はMEMSで約11 sと約109 s、ガラスセルで約10 sと約70 s。
• ポンプ再作動時にMOTの再生が起こり、以降のNEG活性化はポンプサイクル後の原子数を徐々に改善する。
• 長期測定では五NEGガラスセルでMOTが3.5×10^5 s超（4日超）まで持続することを示し、He透過性の考慮にも関わらず持続性を示す。