[論文レビュー] High-resolution imaging and manipulation of ultracold fermions

Bruno Zimmermann, Torben Mueller+3 more|arXiv (Cornell University)|Nov 3, 2010

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates被引用数 1

ひとこと要約

本論文は、二つの顕微鏡的対物レンズを用いた高解像度の光学的セットアップを提示し、6Liフェルミ粒子を0.1ミクロン未満の精度で像写し、操作する。660 nmの解像度で局所的像写しを実現し、単一サイト、2次元格子、リング構成を含むチューナブルな光学ダイポールトラップを構築し、トンネル率が Hubbard モデルの量子シミュレーションに適した条件を満たす、サイト分解能を持つ荷電と検出を可能にする。

ABSTRACT

We report on the local probing and preparation of an ultracold Fermi gas on the length scale of one micrometer, i.e. of the order of the Fermi wavelength. The essential tool of our experimental setup is a pair of identical, high-resolution microscope objectives. One of the microscope objectives allows local imaging of the trapped Fermi gas of 6Li atoms with a maximum resolution of 660 nm, while the other enables the generation of arbitrary optical dipole potentials on the same length scale. Employing a 2D acousto-optical deflector, we demonstrate the formation of several trapping geometries including a tightly focussed single optical dipole trap, a 4x4-site two-dimensional optical lattice and a 8-site ring lattice configuration. Furthermore, we show the ability to load and detect a small number of atoms in these trapping potentials. A site separation of down to one micrometer in combination with the low mass of 6Li results in tunneling rates which are sufficiently large for the implementation of Hubbard-models with the designed geometries.

研究の動機と目的

• フェルミ波長のスケールで超低温フェルミガスの局所的プローブと制御を達成すること。
• 高解像度の像写しと任意の光学ポテンシャル形状を可能にする二対物レンズ光学系の開発。
• 設計された光学格子における少数原子系のサイト分解能による荷電と検出を可能にすること。
• 強相関フェルミオン系の量子シミュレーションを実現するため、マイクロメーター単位のサイト間隔を持つチューナブルなトラップ幾何構造を構築すること。
• 超低温フェルミ粒子を用いた Hubbard モデル物理学の実現に適した、実験的に達成可能なトンネル率を示すこと。

提案手法

• 同一の高数値孔径の顕微鏡的対物レンズを二つ用い、同時に高解像度の像写しと光学ポテンシャルの生成を実現する。
• 2次元の音響光デバイスを用いて、0.1ミクロン未満の精度で光学ダイポールポテンシャルを動的に形状変更・指向制御する。
• 1つの高精度に焦点を合わせた光学ダイポールトラップ、4×4の2次元光学格子、8サイトのリング格子構成を実装する。
• マイクロメーター単位のサイト間隔で大きなトンネル行列要素を実現できる低質量の6Li原子を用い、量子degenerateフェルミガスを形成する。
• 局所的像写しと光学的操作を一つの実験プラットフォームに統合し、サイト分解能による検出と準備を可能にする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 超低温フェルミ粒子を0.1ミクロン未満の空間解像度で像写し、操作することは可能か？
• RQ2 このセットアップを用いた場合、設計された格子における光学ダイポールポテンシャルの達成可能な空間的・エネルギー的スケールは何か？
• RQ3 複雑な光学ポテンシャル幾何構造において、サイト分解能による荷電と検出は実現可能か？
• RQ4 マイクロメーター単位の格子におけるトンネル率は、フェルミ-Hubbard モデルの強相関領域に到達するのに十分な大きさか？
• RQ5 音響光ビーム指向を用いて、リング格子を含む任意のトラップ幾何構造を高精度で生成・安定化できるか？

主な発見

• 本システムは、トラップされた6Liフェルミガスの局所的像写しにおいて最大660 nmの空間解像度を達成した。
• 1マイクロメーターのサイト間隔まで、任意の光学ダイポールポテンシャルが生成可能であり、個々の格子サイトに対する精密な制御が可能となった。
• 2次元光学格子（4×4）と8サイトのリング格子構成が、音響光デバイスを用いて成功裏に実現された。
• 設計されたポテンシャルにおいて、少数の原子のサイト分解能による荷電と検出が実験的に実証された。
• 6Liの低質量とマイクロメーター単位のサイト間隔のおかげで、設計された格子におけるトンネル率は十分に大きく、Hubbard モデルの量子シミュレーションに適した条件を満たしている。
• 二対物レンズ構成により、同時に高解像度の像写しと光学的操作が可能となり、超低温フェルミ粒子の局所的量子制御の強力なプラットフォームが構築された。