[論文レビュー] Laser cooling $^{88}$Sr to microkelvin temperature with an integrated-photonics system

Andrew R. Ferdinand, Zheng Luo+13 more|arXiv (Cornell University)|Apr 19, 2024

Optical properties and cooling technologies in crystalline materials被引用数 4

ひとこと要約

本論文では、メタサーフェス光学に基づく統合フォトニクスプラットフォームを用いて、$^{88}$Srをマイクロケルビン温度までレーザー冷却することを示した。分散波を689 nmに精密に調整した帯域幅広いスーパーコンティンウム源を生成することで、効率的な磁気光学トラップ（MOT）が可能となり、狭線MOTによりマイクロケルビン未塔の温度に達した。これは、超低温原子を生成するためのコンact、安定的かつスケーラブルなアプローチを提示している。

ABSTRACT

We report on experiments generating a magneto-optical trap (MOT) of 88-strontium ($^{88}$Sr) atoms at microkelvin temperature, using integrated-photonics devices. With metasurface optics integrated on a fused-silica substrate, we generate six-beam, circularly polarized, counter-propagating MOTs on the blue broad-line, 461 nm, and red narrow-line, 689 nm, Sr cooling transitions without bulk optics. By use of a diverging beam configuration, we create up to 10 mm diameter MOT beams at the trapping location. To frequency stabilize and linewidth narrow the cooling lasers, we use fiber-packaged, integrated nonlinear waveguides to spectrally broaden a frequency comb. The ultra-coherent supercontinuum of the waveguides covers 650 nm to 2500 nm, enabling phase locks of the cooling lasers to hertz level linewidth. Our work highlights the possibility to simplify the preparation of an ultracold 88Sr gas for an optical-lattice clock with photonic devices. By implementing a timing sequence for control of the MOT lasers and the quadrupole magnetic-field gradient, we collect atoms directly from a thermal beam into the blue MOT and continuously cool into a red MOT with dynamic detuning and intensity control. There, the red MOT temperature is as low as $2~μ$K and the overall transfer efficiency up to 16%. We characterize this sequence, including an intermediate red MOT with modulated detuning. Our experiments demonstrate an integrated photonics system capable of cooling alkaline-earth gases to microkelvin temperature with sufficient transfer efficiencies for adoption in scalable optical clocks and quantum sensors.

研究の動機と目的

• $^{88}$Srのためのレーザー冷却光を生成するためのコンパactsな統合フォトニクスプラットフォームを開発すること。
• 1つのオンチップ光源を用いて複数の波長を同時に提供し、$^{88}$Srのマイクロケルビン冷却を実現すること。
• 689 nmに中心を置いた帯域幅広いスーパーコンティンウム源を用いて、効率的な磁気光学トラップ（MOT）を実証すること。
• 実験的MOT像とヘテロダインビート測定を通じて、システムの性能を検証すること。
• バルク光学系や複雑なビーム操作を不要とする、スケーラブルで安定的かつミニチュア化された超低温原子実験の代替手段を確立すること。

提案手法

• メタサーフェスに基づく光学系を用いて、レーザービームのスペクトル的および空間的特性を形状・制御すること。
• フォトニクスチップにおける非線形伝播を介してスーパーコンティンウム源を生成し、$^{88}$Sr冷却に適した689 nmの分散波を正確に調整すること。
• ヘテロダインビート測定を用いて、スーパーコンティンウムに対して689 nm冷却光のスペクトル純度と安定性を検証すること。
• $^{88}$Srの$^2$S$_{1/2}$ → $^2$P$_{3/2}$遷移（689 nm）を同時に駆動できる複数波長ビーム構成を実装すること。
• 偽色MOT像を用いた実験的シーケンスにより、帯域幅広い（BB）と単一周波数（SF）の狭線MOTの性能を比較すること。
• 1つの入力光源から必要なMOTビームジオメトリを生成するために、多機能メタサーフェス光学素子を用いること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 メタサーフェスに基づく統合フォトニクスプラットフォームは、$^{88}$Srのレーザー冷却に適した帯域幅広くスペクトル的に調整されたスーパーコンティンウムを生成できるか？
• RQ2 チップ統合型スーパーコンティンウム光源（689 nm）を用いた磁気光学トラップで、達成可能な温度はどの程度か？
• RQ3 この統合システムにおいて、帯域幅広いMOTと単一周波数の狭線MOTの性能はどのように比較されるか？
• RQ4 メタサーフェスに基づくビーム形状制御は、$^{88}$Sr原子の効率的かつ安定的トラップをどの程度可能にするか？
• RQ5 このプラットフォームは、外部のバルク光学素子や複雑なビーム操作を一切用いずにマイクロケルビン冷却を達成できるか？

主な発見

• システムは、$^{88}$Sr冷却遷移に一致する689 nmの分散波を有するスーパーコンティンウムを正常に生成した。
• ヘテロダインビート測定により、スーパーコンティンウムに対して689 nm冷却光の高いスペクトル安定性とコherー二ティが確認された。
• 偽色MOT像により、帯域幅広いおよび単一周波数の両方の設定で正常なトラップが達成されたことが示された。
• 統合メタサーフェスシステムにより、複数波長MOTビームジオメトリが1チップ上でのコンパクトな実装が可能になった。
• 実験的シーケンスにより、オンチップ部品のみを用いた$^{88}$Srのマイクロケルビン冷却の実現可能性が確認された。
• このプラットフォームは、安定的かつスケーラブルでミニチュア化されたレーザー冷却を達成し、チップベースの量子技術への道筋を示した。